DE69816245T2

DE69816245T2 - Dieselbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69816245T2
Application number: DE69816245T
Authority: DE
Inventors: Takekazu Toyota-shi Ito; Shizuo Toyota-shi Sasaki; Satoshi Toyota-shi Iguchi; Tsukasa Toyota-shi Abe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2018-10-24
Also published as: EP0921285A2; DE69816245D1; JP3331935B2; JPH11166435A; US6240723B1; EP0921285B1; EP0921285A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dieselbrennkraftmaschine.
2. Stand der Technik
In den vergangenen Jahren ist bei einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung, wie zum Beispiel bei einer Dieselbrennkraftmaschine, die Erzeugung von NO_x dadurch unterdrückt worden, daß deren Auslaßkanal über einen Abgasrückführkanal (AR-Kanal) mit dem Einlaßkanal verbunden wurde, um Abgas, d. h. Rückführgas (R-Abgas) durch den AR-Kanal in den Einlaßkanal zu leiten. In diesem Fall hat das R-Abgas eine relativ hohe spezifische Wärme und kann deshalb eine große Menge Wärme absorbieren, so daß gilt, je größer die Menge an R-Abgas, d. h. je höher die AR-Rate (Menge an R-Abgas/Menge an R-Abgas + Menge an Zuführluft), desto geringer die Verbrennungstemperatur im Maschineneinlaßkanalkanal. Bei sinkender Verbrennungstemperatur sinkt auch die Menge an erzeugtem NO_x, so daß mit steigender AR-Rate die Menge an erzeugtem NO_x sinkt.
Diese Beziehung galt in der Vergangenheit. Wenn aber die AR-Rate erhöht wird und einen bestimmten Grenzwert überschreitet, steigt die Menge an erzeugtem Ruß, d. h. die Rauchmenge stark an. In der Vergangenheit wurde jedoch die Ansicht vertreten, daß bei steigender R-Rate der Rauch ohne Begrenzung ansteigen würde. Mit anderen Worten, es wurde die Ansicht vertreten, daß die AR-Rate, bei welcher der Rauch stark ansteigt, die maximal zulässige Grenze darstellt.
Demzufolge wurde in der Vergangenheit die AR-Rate so vorgegeben, daß die maximal zulässige Grenze nicht überschritten wird (siehe ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 4-334750). Die maximal zulässige Grenze der AR-Rate schwankte in Abhängigkeit vom Maschinentyp und vom Brennstoff erheblich und lag etwa zwischen 30 bis 50%. Demzufolge wurde bei herkömmlichen Dieselmaschinen die maximale AR-Rate auf 30 bis 50% begrenzt.
Da angenommen worden war, daß es eine maximal zulässige Grenze der AR-Rate gibt, wurde in der Vergangenheit darauf geachtet, daß diese Grenze nicht überschritten und trotzdem die geringst mögliche Menge an NO_x und Rauch erzeugt wird. Doch auch in diesem Fall bestehen Grenzen hinsichtlich Verringerung der NO_x- und Rauchmengen. Mit anderen Worten, in der Praxis wurden erhebliche Mengen an NO und Rauch erzeugt.
In Studien über die in Dieselmaschinen stattfindende Verbrennung haben die Erfinder festgestellt, daß bei Überschreitung der maximal zulässigen AR-Rate die Rauchmenge wie bereits erwähnt stark ansteigt und einen Spitzenwert erreicht, bei weiterer Erhöhung der AR-Rate nach Erreichen des Spitzenwertes die erzeugte Rauchmenge stark abnimmt und daß bei einer AR-Rate von mindestens 70% bei Leerlaufbetrieb der Maschine oder bei Zwangskühlung des Rückführabgases und einer AR-Rate von mindestens etwa 55% fast kein Rauch, d. h. fast kein Ruß mehr erzeugt wird. Die Erfinder haben außerdem ermittelt, daß in diesem Fall auch die erzeugte NO_x-Menge extrem gering ist. Ruf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse führten die Erfinder weitere Studien durch, um herauszufinden, weshalb kein Ruß erzeugt wird, und entwickelten ein neues Verbrennungssystem, bei welchem mehr als je zuvor die Verringerung der Ruß- und NO_x-Erzeugung gleichzeitig erreicht werden kann. Kurz gesagt, das neue System basiert auf der Idee, bereits vor einer Vergrößerung der Kohlenwasserstoffe deren Umwandlung in Ruß zu stoppen.
Wiederholte Experimente und Forschungsarbeiten haben zu der Erkenntnis geführt, daß die Vergrößerung der Kohlenwasserstoffe zu Ruß gestoppt wird, wenn die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases während der in der Brennkammer stattfindenden Verbrennung unter einem bestimmten Wert liegt, daß aber bei Überschreiten dieser bestimmten Temperatur alle Kohlenwasserstoffe sofort in Ruß übergehen. In diesem Fall wird die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases von der Wärmeabsorptionswirkung des den Brennstoff umgebenden Gases während der Verbrennung stark beeinflußt. Wenn die vom Gas um den Brennstoff absorbierte Wärmemenge in Übereinstimmung mit der bei der Brennstoffverbrennung erzeugten Wärmemenge eingestellt wird, kann die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases geregelt werden.
Wenn die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Brennkammer unter den Wert abgesenkt wird, bei welchem die Vergrößerung der Kohlenwasserstoffe in der Mitte dieses Vorgangs stoppt, entsteht kein Ruß mehr. Diese Temperaturabsenkung kann dadurch realisiert werden, daß die vom Gas um den Brennstoff zu absorbierende Wärmemenge entsprechend vorgegeben wird. Die Kohlenwasserstoffe, deren Vergrößerung zu Ruß in der Mitte des Umwandlungsprozesses gestoppt wird, können durch Nachbehandlung in einem Oxidationskatalysator zum Beispiel leicht entfernt werden. Darauf basiert das neue Verbrennungssystem.
Bei diesem neuen Verbrennungssystem werden die Kohlenwasserstoffe, deren Vergrößerung zu Ruß in der Mitte des Umwandlungsprozesses gestoppt wird, grundsätzlich in einem Oxidationskatalysator oder in einer anderen Einheit entfernt. Wenn der Oxidationskatalysator oder eine andere Einheit jedoch noch nicht aktiviert ist, was für den Zeitraum ab Maschinenstart bis zur Aktivierung zutrifft, kann diese neue Verbrennung nicht stattfinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Dieselbrennkraftmaschine, bei welcher die Erzeugung von Ruß vom Starten der Maschine bis zum Stoppen unterdrückt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Dieselbrennkraftmaschine bereitgestellt, bei welcher die Menge des erzeugten Rußes allmählich ansteigt und bei zunehmender Menge an Schutzgas in der Brennkammer einen Maximalwert erreicht, während bei weiterer Erhöhung der Schutzgasmenge in der Brennkammer die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung unter die Rußerzeugungstemperatur sinkt und demzufolge nicht länger Ruß erzeugt wird, wobei die Maschine folgende Elemente aufweist, einen in der Abgasanlage angeordneten Katalysator mit Oxidationsfunktion und eine Umschaltvorrichtung zum selektiven Umschalten zwischen einer ersten Verbrennung, bei welcher die Schutzgasmenge in der Brennkammer größer ist als die zur Erzeugung der maximalen Rußmenge erforderliche und folglich fast kein Ruß erzeugt wird, und einer zweiten Verbrennung, bei welcher die Schutzgasmenge in der Brennkammer kleiner ist als die zur Erzeugung der maximalen Rußmenge erforderliche, wobei die Umschaltvorrichtung zuerst auf die bei Maschinenstart stattfindende zweite Verbrennung und dann auf die erste Verbrennung umschaltet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird in der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich gemacht.
1 zeigt die Gesamtanordnung einer Dieselbrennkraftmaschine.
2 zeigt die Menge an erzeugtem Rauch und NO_x.
Die 3A und 3B zeigen Verbrennungsdruckkurven.
4 zeigt ein Brennstoffmolekül.
5 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen der Menge an erzeugtem Rauch und der AR-Rate.
6 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen der Menge an eingespritztem Brennstoff und der Mischgasmenge.
7 zeigt in Diagrammform einen ersten Betriebsbereich I und einen zweiten Betriebsbereich II.
8 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen ΔL(N) und der Maschinendrehzahl N.
9 zeigt den Ausgang des Sensors zum Erfassen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses.
10 zeigt in Diagrammform den Öffnungsgrad eines Drosselventils und die Charakteristik weiterer Parameter.
11 zeigt in Diagrammform das Verfahren zur Steuerung einer ersten Grenze X(N).
Die 12A bis 12C zeigen in Diagrammform den Verlauf von K(T)₁, K(T)₂ bzw. K(N).
Die 13A und 13B zeigen in Diagrammform das Luft-Brennstoff-Verhältnis im ersten Betriebsbereich I.
Die 14A bis 14D zeigen Tafeln über Luft-Brennstoff-Zielverhältnisse.
Die 15A bis 15D zeigen Tafeln über Öffnungszielgrade eines Drosselventils.
Die 16A bis 16D zeigen Tafeln über Öffnungsgrundzielgrade eines AR-Regelventils.
17 zeigt in Diagrammform das Luft-Brennstoff-Verhältnis bei einer zweiten Verbrennung usw.
Die 18A und 18B zeigen Öffnungszielgrade eines Drosselventils.
19 zeigt im Flußplan die Steuerung einer Niedrigtemperaturverbrennung.
20 zeigt die zeitliche Änderung der Maschinendrehzahl.
Die 21A und 21B zeigen die Schnittansicht bzw. den Öffnungszeitpunkt eines Auslaßventils.
22 zeigt im Flußplan eine erste Ausführungsform der Maschinenbetriebssteuerung.
23 zeigt im Flußplan die Maschinenbetriebssteuerung nach der Aktivierung.
24 zeigt im Flußplan eine zweite Ausführungsform der Maschinenbetriebssteuerung.
25 zeigt die zeitliche Änderung der Maschinendrehzahl usw.
26 zeigt im Flußplan eine dritte Ausführungsform der Maschinenbetriebssteuerung.
27 zeigt in Diagrammform das VIGOM-Einspritzen.
28 zeigt im Flußplan eine vierte Ausführungsform der Maschinenbetriebssteuerung.
Die 29A und 29B zeigen in Diagrammform die Ventilüberlappungszeit und das Brennstoffeinspritzen.
30 zeigt im Flußplan eine fünfte Ausführungsform der Maschinenbetriebssteuerung.
31 zeigt in Diagrammform das Einspritzen von zusätzlichem Brennstoff.
32 zeigt im Flußplan eine sechste Ausführungsform der Maschinenbetriebssteuerung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt die Übertragung der vorliegenden Erfindung auf eine Viertakt-Dieselbrennkraftmaschine.
In 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 1 den Maschinenkörper, das Bezugszeichen 2 den Zylinderblock, das Bezugszeichen 3 einen Zylinderkopf, das Bezugszeichen 4 einen Kolben, das Bezugszeichen 5 eine Brennkammer, das Bezugszeichen 6 eine elektrisch gesteuerte Brennstoffeinspritzdüse, das Bezugszeichen 7 ein Einlaßventil, das Bezugszeichen 8 einen Einlaßkanal, das Bezugszeichen 9 ein Auslaßventil und das Bezugszeichen 10 einen Auslaßkanal. Der Einlaßkanal 8 ist über ein entsprechendes Einlaßrohr 11 mit einem Puffer 12 verbunden. Der Puffer 12 wiederum ist über einen Einlaßkanal 13 mit einem Luftfilter 14 verbunden. Ein von einem Elektromotor 15 gesteuertes Drosselventil 16 ist im Einlaßkanal 13 angeordnet. Der Auslaßkanal 10 ist über einen Abgasverteiler 17 und ein Abgasrohr 18 mit einem katalytischen Konverter 20 verbunden, in welchem ein Katalysator mit Oxidationsfunktion sich befindet. Im Abgasverteiler 17 ist ein Sensor 21 zum Erfassen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses angeordnet.
Der Abgasverteiler 17 und der Puffer 12 sind über einen Abgasrückführkanal 22 miteinander verbunden. Im Abgasrückführkanal 22 ist ein elektrisch gesteuertes AR-Regelventil 23 angeordnet. Um den Abgasrückführkanal 22 ist eine Kühleinheit 24 zum Kühlen des durch diesen Kanal strömenden R-Abgases angeordnet. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Dieselbrennkraftmaschine wird das Maschinenkühlwasser durch die Kühleinheit 24 geleitet und zum Kühlen des R-Abgases genutzt.
Jede Brennstoffeinspritzdüse ist über ein Brennstoffzuführröhrchen 25 mit einem Brennstoffreservoir, d. h. einem gemeinsamen Brennstoffstrang 26 verbunden. Diesem Brennstoffstrang 26 wird von einer elektrisch gesteuerten Pumpe 27 mit variabler Fördermenge Brennstoff zugeführt. Der dem gemeinsamen Brennstoffstrang zugeführte Brennstoff gelangt durch jedes Brennstoffzuführröhrchen 25 zur entsprechenden Einspritzdüse 6. Am gemeinsamen Strang 26 ist ein Brennstoffdrucksensor 28 zum Erfassen des in diesem herrschenden Brennstoffdrucks befestigt. Die Fördermenge der Brennstoffpumpe 27 wird auf der Grundlage des Ausgangssignals vom Brennstoffdrucksensors 28 so geregelt, daß der Brennstoffdruck im gemeinsamen Strang 26 dem Zieldruck entspricht.
Die elektronische Steuereinheit 30 ist ein Digitalcomputer, welcher mit einem ROM (Lesespeicher) 32, einem RAM (Schreib-Lese-Speicher) 33, einer ZVE (Mikroprozessor) 34, einem Eingabekanal 35 und einem Ausgabekanal 35 ausgerüstet ist, welche über einen Zweiweg-Bus 31 miteinander verbunden sind. Das Ausgangssignal vom Sensor 21 zum Erfassen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses wird über einen entsprechenden A/D-Wandler 37 zum Eingabekanal 35 gesendet. Auch das Ausgangssignal vom Brennstoffdrucksensor 28 wird über den entsprechenden A/D-Wandler 37 zum Eingabekanal 35 gesendet. Der Maschinenkörper ist mit einem Temperatursensor 29 zum Erfassen der Maschinenkühlwassertemperatur versehen. Das Ausgangssignal von diesem Temperatursensor 29 wird über den entsprechenden A/D-Wandler 37 ebenfalls an den Eingabekanal 35 gesendet. In mindestens einem der Einlaßrohre 11 ist ein Temperatursensor 44 zum Erfassen der Temperatur des Mischgases aus angesaugter Luft und R-Abgas installiert. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 44 wird über den entsprechenden A/D-Wandler 37 ebenfalls an den Eingabekanal 35 gesendet.
Im Abgasrohr ist vor dem Katalysator 19 ein Temperatursensor 45 zum Messen der Temperatur des in diesen strömenden Abgases und hinter dem Katalysator 19 ein Temperatursensor 46 zum Messen der Temperatur des aus diesem strömenden Abgases angeordnet. Die Ausgangssignale von diesen Temperatursenso ren werden über die entsprechenden A/D-Wandler 37 ebenfalls an den Eingangskanal 35 gesendet.
An das Beschleunigungspedal 40 ist ein Lastsensor 41 zur Erzeugung einer dem Pedalbetätigungsweg L proportionalen Spannung angeschlossen. Die Ausgangsspannung dieses Lastsensors 40 wird über den entsprechenden A/D-Wandler 37 ebenfalls an den Eingangskanal 35 gesendet. An den Eingangskanal 35 ist ein Kurbelwinkelsensor 42 zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses bei jeder Drehung der Kurbelwelle um 30° zum Beispiel angeschlossen. Das Einlaßventil 7 wird von einem an diesen befestigten Betätigungselement 47 und das Auslaßventil 9 von einem an diesem befestigten Betätigungselement 48 betätigt. An den Ausgangskanal 36 sind über eine entsprechende Antriebsschaltung 38 die Brennstoffeinspritzdüse 6, der Elektromotor 15, das AR-Regelventil 23, die Brennstoffpumpe 27 sowie die Betätigungselemente 47 und 48 angeschlossen.
2 zeigt als Versuchsbeispiel die Veränderung des Drehmoments und die der Rauch-, HC-, CO und NO_x-Mengen, welche bei Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses L/B (Abszisse in 2) durch Änderung des Öffnungsgrades des Drosselventils 16 und der AR-Rate bei Niedriglastbetrieb der Maschine ausgestoßen werden. Wie aus 2 zu erkennen ist, wird bei diesem Versuchsbeispiel mit sinkendem Luft-Brennstoff-Verhältnis L/B die AR-Rate größer. Bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis unter dem stöchiometrischen Wert (~14,6) steigt die AR-Rate über 65%.
Aus 2 ist auch ersichtlich, daß bei Erhöhung der AR-Rate auf etwa 40% und dem dadurch sinkenden L/B-Verhältnis von 30 Grad die erzeugte Rauchmenge anzusteigen beginnt. Bei weiterer Erhöhung der AR-Rate und Reduzierung des L/B-Verhältnisses steigt die erzeugte Rauchmenge stark an und er reicht einen Spitzenwert. Bei noch weiterer Erhöhung der AR-Rate und Reduzierung des L/B-Verhältnisses sinkt die Rauchentwicklung rapide. Bei einer AR-Rate von über 65% und einem L/B-Verhältnis von ca. 15 wird nahezu kein Rauch erzeugt. Das heißt, ab diesem Punkt entsteht fast kein Ruß. Dabei tritt aber ein bestimmter Drehmomentverlust ein, doch die Menge an erzeugtem NO_x sinkt deutlich. Andererseits beginnen ab hier die Mengen an erzeugtem HC und CO anzusteigen.
3A zeigt die Veränderung des Kompressionsdrucks in der Brennkammer 5 bei Erzeugung der größten Rauchmenge nahe einem L/B-Verhältnis von 21. 3B zeigt die Änderung des Kompressionsdrucks in der Brennkammer 5 bei fast keiner Raucherzeugung nahe einem L/B-Verhältnis von 18. Wie ein Vergleich der beiden 3A und 3B zeigt, ist in dem in 3B dargestellten Fall, d. h. bei nahezu keiner Raucherzeugung, der Verbrennungsdruck geringer als bei dem in 3A dargestellten Fall, d. h. bei einer großen Rauchmenge.
Aus den in den 2, 3A und 3B dargestellten Versuchsergebnissen können bestimmte Schlußfolgerungen gezogen werden. Die erste Schlußfolgerung ist, daß bei einem L/B-Verhältnis unter 15,0 und nahezu keiner Rauchentwicklung die Menge an erzeugtem NO_x merklich sinkt, wie 2 zeigt. Die sinkende NO_x-Menge deutet auf ein Sinken der Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 hin. Mit anderen Worten, bei nahezu keiner Rußerzeugung sinkt die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5. Die gleiche Schlußfolgerung kann auch aus 3B gezogen werden. Das heißt, bei dem in 3B dargestellten Zustand, bei welchem fast kein Ruß erzeugt wird, sinkt der Verbrennungsdruck und somit auch die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5.
Die zweite Schlußfolgerung ist, daß bei nahezu keiner Raucherzeugung, d. h. Rußerzeugung, die Mengen an ausgestoßenem HC und CO steigen, wie 2 zeigt. Das bedeutet, daß die Kohlenwasserstoffe ausgestoßen werden, ohne in Ruß überzugehen. Mit anderen Worten, die in 4 dargestellten, im Brennstoff enthaltenen geradkettigen Kohlenwasserstoffe und aromatischen Kohlenwasserstoffe zerfallen bei Temperaturanstieg in sauerstoffarmer Atmosphäre, so daß eine Rußvorstufe entsteht. Der nächste Schritt ist die Erzeugung von Ruß hauptsächlich in Form fester Massen aus Kohlenstoffatomen. In diesem Fall ist die eigentliche Rußerzeugung ein komplizierter Vorgang. Auf welche Weise die Rußvorstufe entsteht, ist nicht bekannt, doch in jedem Fall gehen die in 4 dargestellten Kohlenwasserstoffe über die Rußvorstufe in Ruß über.
Wie bereits erwähnt und in 2 dargestellt, steigen bei nahezu keiner Rußerzeugung die Mengen an ausgestoßenem HC und CO, doch zu diesem Zeitpunkt ist HC eine Rußvorstufe oder eine Vorstufe diese Rußvorstufe.
Aus den in den 2, 3A und 3B dargestellten Versuchsergebnissen kann zusammenfassend gesagt werden, daß bei niedriger Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 die Menge an erzeugtem Ruß im wesentlichen Null ist. Dabei wird aus der Brennkammer 5 Kohlenwasserstoff in Form einer Rußvorstufe oder einer Vorstufe vor dieser ausgestoßen. Diesbezüglich wurden detailliertere Versuche und Studien durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche und Studien zeigen, daß bei Temperaturen des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases in der Brennkammer 5, welche unter einem bestimmten Wert liegen, in der Mitte des Rußwachstumsprozesses ein Stopp eintritt, d. h. überhaupt kein Ruß erzeugt wird, während in dem Fall, daß der Brennstoff und das diesen umgeben de Gas die bestimmte Temperatur überschreitet, in der Brennkammer 5 Ruß erzeugt wird.
Wenn der Prozeß der Erzeugung von Kohlenwasserstoffen in Form der Rußvorstufe stoppt, ändert die Temperatur des Brennstoffs und dessen Umgebung, das heißt die bestimmte Temperatur sich in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie Brennstoffart, Luft-Brennstoff-Verhältnis und Druckverhältnis, so daß nicht vorausgesagt werden kann, um welchen Grad es sich handelt, doch eine enge Beziehung zwischen der vorherbestimmten Temperatur und der erzeugten NO_x-Menge gilt als sicher. Demzufolge kann die vorbestimmte Temperatur bis zu einem gewissen Grad aus der erzeugten NO_x-Menge ermittelt werden. Das heißt, je größer die AR-Rate, desto geringer die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung und desto geringer die Menge an erzeugtem NO_x. Wenn die erzeugte Menge an NO_x 10 ppm oder weniger beträgt, wird nahezu kein Ruß mehr erzeugt. Demzufolge entspricht die vorbestimmte Temperatur im wesentlichen der Temperatur, bei welcher die erzeugte NO_x-Menge 10 ppm oder weniger beträgt.
Sobald Ruß erzeugt wird, ist es unmöglich, diesen durch Nachbehandlung in einem Oxidationskatalysator oder durch eine andere Behandlung zu entfernen. Dagegen kann aber eine Rußvorstufe oder eine Vorstufe vor dieser durch eine Nachbehandlung in einem Oxidationskatalysator oder auf andere Weise leicht entfernt werden. Wenn eine Nachbehandlung in einem Oxidationskatalysator oder auf andere Weise in Erwägung gezogen wird, besteht ein sehr großer Unterschied darin, ob die Kohlenwasserstoffe in Form eine Rußvorstufe, einer Vorstufe vor dieser oder in Form von Ruß aus der Brennkammer 5 ausgestoßen werden. Das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete neu Verbrennungssystem basiert auf der Grundlage des Ausstoßens der Kohlenwasserstoffe in Form einer Rußvorstufe oder einer Vorstufe vor dieser aus der Brennkammer 5, ohne daß die Erzeugung von Ruß in der Brennkammer 5 ermöglicht wird, und der Oxidation der Kohlenwasserstoffe in einem Oxidationskatalysator oder einem anderen Element.
Um das Wachsen der Kohlenwasserstoffe vor Erzeugung von Ruß zu stoppen, muß die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Brennkammer 5 unter die Rußerzeugungstemperatur abgesenkt werden. Es ist erkannt worden, daß in diesem Fall die Wärmeabsorptionswirkung des den Brennstoff umgebenden Gases einen extrem großen Einfluß auf die Absenkung der Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases hat.
Wenn der Brennstoff nur von Luft umgeben ist, reagiert der verdampfte Brennstoff sofort mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff und verbrennt. In diesem Fall steigt die Temperatur der vom Brennstoff etwas entfernt vorhandenen Luft nicht so stark an. Nur die Temperatur um den Brennstoff wird örtlich extrem hoch. Das heißt, die vom Brennstoff etwas entfernt vorhandene Luft absorbiert keineswegs viel von der bei der Brennstoffverbrennung entstehenden Wärme. Da die Verbrennungstemperatur aber örtlich extrem hoch wird, nehmen die unverbrannten Kohlenwasserstoffe Verbrennungswärme auf und werden zu Ruß umgewandelt.
Wenn der Brennstoff aber in einem aus einer großen Menge Schutzgas und einer kleinen Menge Luft zusammengesetzten Mischgas eingeschlossen wird, ergibt sich eine andere Situation. In einem solchen Fall dispergiert der verdampfte Brennstoff in die Umgebung, reagiert mit dem im Schutzgas enthaltenen Sauerstoff und verbrennt. Dabei wird die Verbrennungswärme vom umgebenden Schutzgas absorbiert, so daß die Verbrennungstemperatur nicht weiter stark ansteigt. Das heißt, es kann eine niedrige Verbrennungstemperatur beibehalten werden. Mit anderen Worten, das verwendete Schutzgas hat einen großen Einfluß auf die Verbrennungstemperatur. Durch die Wärmeabsorptionswirkung des Schutzgases kann eine niedrige Verbrennungstemperatur beibehalten werden.
Um die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases unter die Rußerzeugungstemperatur abzusenken, ist eine bestimmte Menge Schutzgas zum Absorbieren von Wärme erforderlich. Demzufolge muß bei steigender Brennstoffmenge die erforderliche Schutzgasmenge ebenfalls erhöht werden. In diesem Fall gilt, je größer die spezifische Wärme des Schutzgases, desto stärker die Wärmeabsorptionswirkung. Demzufolge wird als Schutzgas ein Gas mit einer großen spezifischen Wärme bevorzugt. Da CO₂ und R-Abgas eine relativ große spezifische Wärme haben, wird die Verwendung von R-Abgas als Schutzgas empfohlen.
5 zeigt die Beziehung zwischen der AR-Rate und dem Rauch in Abhängigkeit von der Änderung des Kühlgrades des als Schutzgas genutzten R-Abgases. In 5 gilt die Kurve A für eine Zwangskühlung des R-Abgases auf 90°C, die Kurve B für die Abkühlung des R-Abgases bei Verwendung einer kleinen Kühlvorrichtung und die Kurve C für den Fall ohne Zwangkühlung des R-Abgases.
Wie aus der in 5 dargestellten, für die Zwangskühlung des R-Abgases geltenden Kurve A zu erkennen ist, wird bei einer AR-Rate von etwas unter 50% der Spitzenwert der erzeugten Rußmenge erreicht. Bereits bei einer AR-Rate von etwa 55% wird fast kein Ruß mehr erzeugt.
Wie aus der in 5 dargestellten, für leichte Abkühlung des R-Abgases geltenden Kurve B zu erkennen ist, wird der Spitzenwert der Rußerzeugung bei einer AR-Rate von etwas über 50% erreicht. In diesem Fall wird bei einer AR-Rate von mindestens 65% fast kein Ruß mehr erzeugt.
Wie aus der in 5 dargestellten, für ungekühltes R-Abgas geltenden Kurve C zu erkennen ist, wird der Spitzenwert der Rußerzeugung bei einer AR-Rate nahe 55% erreicht. In diesem Fall wird bei einer AR-Rate von mindestens 70% fast kein Ruß mehr erzeugt.
Anzumerken ist, daß 5 die erzeugte Rauchmenge bei relativ hoher Belastung der Maschine zeigt. Bei sinkender Belastung der Maschine wird die AR-Rate, bei welcher die Spitzenmenge an Ruß entsteht, etwas verringert und auch die untere Grenze der AR-Rate, bei welcher fast kein Ruß mehr erzeugt wird, sinkt etwas. Das heißt, die untere Grenze der AR-Rate, bei welcher fast kein Ruß mehr erzeugt wird, ändert sich in Abhängigkeit vom Abkühlgrad des R-Abgases und von der Maschinenbelastung.
6 zeigt im Falle der Nutzung von R-Abgas als Schutzgas die Menge des aus R-Abgas und Luft zusammengesetzten Mischgases, das Luftverhältnis im Mischgas und das Verhältnis von R-Abgas im Mischgas, welche erforderlich sind, um die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Verbrennungszeitpunkt unter die Rußerzeugungstemperatur abzusenken. In 6 ist auf der Ordinate die Gesamtmenge des in die Brennkammer 5 gesaugten Gases aufgetragen. Die gestrichelte Linie Y kennzeichnet die mögliche Gesamtmenge an Gas, welche in die Brennkammer 5 gesaugt werden kann, wenn diese nicht überfüllt werden soll. Auf der Abszisse ist die erforderliche Last aufgetragen. Das Bezugszeichen Z1 kennzeichnet den Niedriglastbereich.
In 6 kennzeichnet das Luftverhältnis die Menge der im Mischgas vorhandenen Luft, welche zum vollständigen Verbrennen des eingespritzten Brennstoffs erforderlich ist. Das heißt, in 6 ist das stöchiometrische Verhältnis aus Luftmenge und Menge des eingespritzten Brennstoffs dargestellt. In 6 kennzeichnet das R-Abgasverhältnis, d. h. die im Mischgas vorhandene Menge an R-Abgas, die Minimalmenge an R-Abgas, welche zum Absenken der Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases unter die Rußerzeugungstemperatur erforderlich ist. Diese Menge an R-Abgas, ausgedrückt durch die AR-Rate, beträgt mindestens 55%, bei der in 6 dargestellten Ausführungsform mindestens 70%. Das heißt, daß beim Ansaugen der Gesamtgasmenge in die Brennkammer 5 entsprechend der in 6 dargestellten Linie X und bei dem dargestellten Verhältnis zwischen der Luftmenge und der Menge an R-Abgas in der eingesaugten Gesamtmenge X die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases unter die Rußerzeugungstemperatur abgesenkt und demzufolge überhaupt kein Ruß mehr erzeugt wird. Dabei beträgt die Menge an erzeugtem NO_x 10 ppm oder weniger, welche sehr gering ist.
Bei steigender Menge an eingespritztem Brennstoff steigt zum Zeitpunkt der Verbrennung die erzeugte Wärmemenge, so daß die vom R-Abgas zu absorbierende Wärmemenge erhöht werden muß, um die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases unter die Rußerzeugungstemperatur abzusenken. Wie aus 6 ersichtlich ist, muß mit steigender Menger an eingespritztem Brennstoff die Menge an R-Abgas erhöht werden. Mit anderen Worten, die Menge an R-Abgas muß mit steigender Maschinenlast erhöht werden.
Dagegen übersteigt bei dem in 6 dargestellten Lastbereich Z2 die Gesamtmenge X des zum Unterbinden der Rußerzeugung anzusaugenden Gases die Gesamtmenge Y, welche angesaugt werden kann. Um die Gesamtmenge X des zum Unterbinden der Rußerzeugung erforderlichen Gases in die Brennkammer 5 saugen zu können, muß sowohl das R-Abgas als auch das Ansauggas oder nur das R-Abgas komprimiert werden. Wenn im Bereich Z2 das R-Abgas usw. nicht komprimiert wird, entspricht die Gesamtmenge X an angesaugtem Gas der möglichen Gesamtmenge Y an anzusaugendem Gas. Um aber die Rußerzeugung zu unterbinden, wird die Luftmenge etwas reduziert, damit die Menge an R-Abgas erhöht werden kann und der Brennstoff bei einem fetten Luft-Brennstoff-Verhältnis verbrennt.
Wie bereits erwähnt, ist in 6 die Brennstoffverbrennung bei stöchiometrischem Luft-Brennstoff-Verhältnis dargestellt.
Im Niedriglastbereich Z1 kann selbst bei Unterschreiten der in 6 angedeuteten Luftmenge, d. h. bei einem fetten Luft-Brennstoff-Verhältnis, die Rußerzeugung gehemmt und die Menge an erzeugtem NO_x auf 10 ppm oder weniger abgesenkt werden. Im Niedriglastbereich Z1 kann auch bei Überschreiten der in 6 angedeuteten Luftmenge, d. h. bei einem mageren Luft-Brennstoff-Verhältnis von durchschnittlich 17 bis 18, die Rußerzeugung gehemmt und die Menge an erzeugtem NO_x auf 10 ppm oder weniger abgesenkt werden.
Mit anderen Worten, bei einem fetten Luft-Brennstoff-Verhältnis ist Brennstoffüberschuß zu verzeichnen, doch da die Brennstofftemperatur auf einen niedrigen Wert abgesenkt wurde, wird der überschüssige Brennstoff nicht zu Ruß verbrannt und dadurch kein Ruß erzeugt. Dabei wird auch nur eine sehr geringe Menge an NO_x erzeugt. Wenn dagegen das durchschnitt liche Luft-Brennstoff-Verhältnis mager oder das Luft-Brennstoff-Verhältnis stöchiometrisch ist, wird bei steigender Verbrennungstemperatur eine geringe Menge Ruß erzeugt, doch da gemäß der vorliegenden Erfindung ein Absenken der Verbrennungstemperatur erfolgt, kommt es zu keiner Bußerzeugung. Dabei wird auch nur eine sehr kleine Menge NO_x erzeugt.
Somit wird im Niedriglastbereich Z1, unabhängig vom Luft-Brennstoff-Verhältnis, d. h. unabhängig davon, ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis fett, stöchiometrisch oder durchschnittlich mager ist, kein Ruß und nur eine sehr geringe Menge NO_x erzeugt. Zum Erreichen einer besseren Brennstoffeffizienz ist deshalb ein mageres Luft-Brennstoff-Verhältnis zu empfehlen.
Das Absenken der Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Verbrennungszeitpunkt in der Brennkammer unter den Wert, bei welchem in der Mitte des Prozesses das Wachsen der Kohlenwasserstoffe gestoppt wird, ist jedoch nur bei relativ geringer Maschinenlast möglich, bei welcher die erzeugte Wärmemenge gering ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei relativ geringer Maschinenlast die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases unter den Wert abgesenkt, bei welchem in der Mitte des Prozesses das Wachsen der Kohlenwasserstoffe gestoppt und die erste Verbrennung, d. h. Niedrigtemperaturverbrennung stattfindet. Bei relativ hoher Maschinenlast findet gewöhnlich die zweite Verbrennung, d. h. die herkömmliche normale Verbrennung statt. Anzumerken ist, daß entsprechend den bisherigen Erläuterungen die erste Verbrennung, d. h. die Niedrigtemperaturverbrennung als Verbrennung angesehen wird, bei welcher die Schutzgasmenge in der Brenn kammer größer ist als die, bei welcher die Spitzenmenge an Ruß und fast kein Ruß erzeugt wird, und die zweite Verbrennung, d. h. die auf herkömmliche Weise stattfindende Verbrennung, als Verbrennung angesehen wird, bei welcher die Schutzgasmenge in der Brennkammer kleiner ist als die, bei welcher die Spitzenmenge an Ruß entsteht.
7 zeigt einen ersten Betriebsbereich I, in welchem die erste Verbrennung, d. h. die Niedrigtemperaturverbrennung stattfindet, und einen zweiten Betriebsbereich II, in welchem die zweite Verbrennung, d. h. die herkömmliche Verbrennung stattfindet. Auf der Abszisse des in 7 dargestellten Diagramms ist die Betätigungsgröße L des Beschleunigungspedals 40, d. h. die erforderliche Belastung, und auf der Ordinate die Maschinendrehzahl aufgetragen. Die Kurve X(N) ist eine erste Grenzlinie zwischen dem ersten Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II und Kurve Y(N) eine zweite Grenzlinie zwischen den beiden Betriebsbereichen I und II. Der Übergang vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II erfolgt auf der Grundlage der ersten Grenzlinie X(N), der Übergang vom Betriebsbereich II auf den ersten Betriebsbereich I auf der Grundlage der zweiten Grenzlinie Y(N).
Wenn die Maschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet, d. h. die Niedrigtemperaturverbrennung stattfindet, und die erforderliche Last L die erste Grenzlinie X(N) als Funktion der Maschinendrehzahl N überschreitet, wird der Maschinenbetrieb auf den zweiten Betriebsbereich II und die zweite Verbrennung, d. h. auf die herkömmliche Verbrennung umgeschaltet wurde. Wenn die erforderliche Last L unter die zweite Grenzlinie Y(N) als Funktion der Maschinendrehzahl abfällt, wird der Maschinenbetrieb wieder auf den Betriebsbereich I und die erste Verbrennung, d. h. die Niedrigtemperaturverbrennung umgestellt.
Es gibt zwei Gründe, die erste Grenzlinie X(N) und die darunter liegende zweite Grenzlinie Y(N) vorzusehen. Der erste Grund besteht darin, daß bei hoher Last im zweiten Betriebsbereich II die Verbrennungstemperatur relativ hoch ist und selbst beim Absenken der erforderlichen Last L unter die erste Grenzlinie X(N) die Niedrigtemperaturverbrennung nicht sofort stattfinden kann. Das heißt, die Niedrigtemperaturverbrennung kann nicht sofort stattfinden, es sei denn, die erforderliche Last L ist sehr gering und fällt unter die zweite Grenzlinie Y(N) ab. Der zweite Grund besteht in der Gewährleistung einer Hysterese zwischen dem ersten Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II.
Anzumerken ist, daß bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die zweite Grenzlinie Y(N) die Niedriglastseite definiert und um genau ΔL(N) von der ersten Grenzlinie X(N) entfernt verläuft. Wie die 7 und 8 zeigen, ist ΔL(N) eine Funktion der Maschinendrehzahl N und wird mit zunehmender Maschinendrehzahl kleiner.
Wenn die Maschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet und die Niedrigtemperaturverbrennung stattfindet, wird fast kein Ruß erzeugt, statt dessen werden die unverbrannten Kohlenwasserstoffe in Form einer Rußvorstufe oder einer Vorstufe vor dieser aus der Brennkammer 5 ausgestoßen. Diese aus der Brennkammer 5 ausgestoßenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe können vom Katalysator 19 mit Oxidationsfunktion oxidiert werden, wenn dieser aktiviert ist. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Katalysator jedoch noch nicht aktiviert ist, können die unverbrannten Kohlenwasserstoffe von diesem nicht oxidiert werden und gelangen in großen Mengen in die Atmosphäre. Beim Starten der Maschine ist in vielen Fällen der Katalysator 19 jedoch noch nicht aktiviert. Demzufolge wird gemäß der vorliegenden Erfindung beim Starten der Maschine zuerst die zweite Verbrennung, d. h. die herkömmliche Verbrennung durchgeführt, und dann auf die erste Verbrennung umgestellt.
Als Katalysator 19 kann ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwege-Katalysator oder ein NO_x-Absorptionselement verwendet werden. Ein NO_x-Absorptionselement hat die Aufgabe, bei einem durchschnittlich mageren Luft-Brennstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 NO_x zu absorbieren und bei einem fetten Luft-Brennstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 das NO_x freizusetzen.
Das NO_x-Absorptionselement besteht zum Beispiel aus Aluminiumoxid als Trägermaterial, auf welchem mindestens eines der Elemente Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs oder ein anderes Alkalimetall, Barium Ba, Calcium Ca oder ein anderes Erdalkalimetall, Lanthan La, Yttrium Y oder ein anderes Seltenerdelement und Platin oder ein anderes Edelmetall abgelagert ist.
Der Katalysator 19 ist aktiviert, wenn dessen Temperatur eine vorbestimmte Größe überschreitet. Die Aktivierungstemperatur des Katalysators 19 ist unterschiedlich und vom Katalysatortyp abhängig. Die Aktivierungstemperatur eines typischen Oxidationskatalysators beträgt etwa 350 °C. Die Temperatur des durch den Katalysator 19 strömenden Abgases ist etwas geringer als die des Katalysators, repräsentiert jedoch die Katalysatortemperatur. Demzufolge wird gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Aktivierung des Katalysators 19 aus der Temperatur des durch diesen strömenden Abgases beurteilt.
9 zeigt den Ausgang des Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensors 21. Wie aus 9 hervorgeht, verändert der Ausgangsstrom I des Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensors 21 sich in Übereinstimmung mit dem Luft-Brennstoff-Verhältnis L/B. Das heißt, das Luft-Brennstoff-Verhältnis kann aus dem Ausgangsstrom I des Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensors 21 bestimmt werden.
Nachfolgend wird in Verbindung mit 10 die Steuerung des ersten Betriebsbereiches I und des zweiten Betriebsbereiches II bei aktiviertem Katalysator 19 beschrieben.
10 zeigt den Öffnungsgrad des Drosselventils 16, den Öffnungsgrad des AR-Regelventils 23, die AR-Rate, das Luft-Brennstoff-Verhältnis, den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge als Funktion der erforderlichen Last L. Wie aus 10 hervorgeht, wird im ersten Betriebsbereich I bei geringer aber ansteigender Last L der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 von Null allmählich auf 50%, der Öffnungsgrad des AR-Regelventils 23 von Null allmählich auf 100% vergrößert. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel wird im ersten Betriebsbereich I die AR-Rate auf etwa 70% und das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf magere 15 bis 18 eingestellt.
Mit anderen Worten, im ersten Betriebsbereich I wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 und der des AR-Regelventils 23 so geregelt, daß eine AR-Rate von etwa 70% und ein mageres Luft-Brennstoff-Verhältnis von 15 bis 18 sich einstellen. Dabei wird auf der Grundlage des vom Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensors 21 gesendeten Ausgangssignals der Öffnungsgrad des AR-Regelventils 23 so gesteuert, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis dem Zielverhältnis entspricht. Im ersten Betriebsbereich I wird beim Kompressionshub vor Erreichen des oberen Totpunktes der Brennstoff ein gespritzt. In diesem Fall wird mit steigender erforderlicher Last L der Einspritzzeitpunkt θS verzögert. Je später der Einspritzbeginn θS, desto später auch das Einspritzende θE. Anzumerken ist, daß im Leerlaufbetrieb das Drosselventil 23 vollkommen geschlossen bleibt. Auch das Drosselventil 23 bleibt vollkommen geschlossen, so daß bei Kompressionsbeginn ein geringer Kompressionsdruck in der Brennkammer 5 herrscht. Dadurch hat der Kolben 4 auch nur eine geringe Kompressionsarbeit zu leisten, so daß der Maschinenkörper 1 weniger schwingt. Mit anderen Worten, im Leerlaufbetrieb kann durch vollständiges Schließen des Drosselventils 16 ein Schwingen des Maschinenkörpers 1 unterdrückt werden.
Wenn die Maschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet, wird fast kein Ruß oder NO_x erzeugt und die in Form einer Rußvorstufe oder einer Vorstufe vor dieser im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe können vom Katalysator 19 oxidiert werden.
Beim Übergang vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 stufenförmig von 50% auf 100% vergrößert. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel wird somit die AR-Rate stufenförmig von 70% auf 40% verringert und das Luft-Brennstoff-Verhältnis stufenförmig erhöht. Da die AR-Rate über den Wert springt, bei welchem eine große Menge Rauch erzeugt wird (5), bedeutet das, daß beim Übergang vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II keine große Rauchmenge mehr erzeugt wird.
Im zweiten Betriebsbereich II findet die herkömmliche Verbrennung statt. Bei dieser Verbrennung werden etwas Ruß und etwas NO_x erzeugt, doch da die Wärmeeffizienz größer ist als bei der Niedrigtemperaturverbrennung, wird beim Übergang vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II die Einspritzmenge stufenförmig verringert, wie aus 10 ersichtlich ist.
Im zweiten Betriebsbereich II, ausgenommen einige Abschnitte, bleibt das Drosselventil 16 vollständig geöffnet, während mit steigender erforderlicher Last L der Öffnungsgrad des AR-Regelventils 23 allmählich verringert wird. Demzufolge werden im Betriebsbereich II bei steigender erforderlicher Last L die AR-Rate und auch das Luft-Brennstoff-Verhältnis geringer. Selbst bei hoher erforderlicher Last L wird ein mageres Luft-Brennstoff-Verhältnis eingestellt. Im zweiten Betriebsbereich II wird beim Kompressionshub der Einspritzzeitpunkt θS nahe an den oberen Totpunkt gelegt.
Der Abschnitt des ersten Betriebsbereichs I, in welchem eine Niedrigtemperaturverbrennung möglich ist, ändert sich in Abhängigkeit von der Gastemperatur in der Brennkammer 5 bei Kompressionsbeginn und der Temperatur der Innenwand des Zylinders. Mit anderen Worten, bei erforderlicher hoher Last und steigender Menge der durch Verbrennung erzeugten Wärme steigt die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Verbrennungszeitpunkt, so daß eine Niedrigtemperaturverbrennung nicht länger stattfinden kann. Wenn aber bei Kompressionsbeginn die Temperatur des Gases (TG) niedrig ist, sinkt diese direkt vor Beginn der Verbrennung in der Brennkammer 5 weiter, so daß die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Verbrennungszeitpunkt niedrig ist. Wenn die Temperatur TG des Gases in der Brennkammer 5 bei Kompressionsbeginn niedrig ist, steigt selbst durch die bei der Verbrennung, d. h, bei hoher Last erzeugte höhere Wärmemenge die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases nicht, so daß die Niedrigtemperaturverbrennung stattfindet. Mit anderen Wor ten, je geringer bei Kompressionsbeginn die Temperatur TG des Gases in der Brennkammer 5, um so mehr wird der erste Betriebsbereich I, in welchem Niedrigtemperaturverbrennung stattfinden kann, zur Starklastseite hin vergrößert.
Je geringer bei Kompressionsbeginn die Differenz zwischen der Temperatur TW der Innenwand des Zylinders und der Temperatur TG des Gases in der Brennkammer 5, desto größer die Menge des beim Kompressionshub durch die Innenwand des Zylinders entweichende Wärme. Das heißt, je geringer diese Temperaturdifferenz TW – TG, um so geringer die Temperaturerhöhung des Gases in der Brennkammer 5 beim Kompressionshub und demzufolge um so niedriger die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Verbrennungszeitpunkt. Das heißt aber auch, je geringer die Temperaturdifferenz TW – TG, um so mehr wird der erste Betriebsbereich I, bei welchem Niedrigtemperaturverbrennung stattfinden kann, zur Starklastseite ausgedehnt.
Wenn bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Temperatur TG des Gases in der Brennkammer 5 absinkt, verschiebt die erste Grenzlinie sich von X₀(N) zu X(N), wie 11 zeigt. Aus 11 geht auch hervor, daß bei abnehmender Temperaturdifferenz TW – TG die erste Grenzlinie sich ebenfalls von X₀(N) zu X(N) verschiebt. X₀(N) stellt die erste Bezugsgrenzlinie dar und ist eine Funktion der Maschinendrehzahl ist. Aus X₀(N) wird X(N) nach folgenden Gleichungen berechnet: X(N) = X0(N) + K(T)·K(N) K(T) = K(T)1 + K(T)2
Wie 12A zeigt, ist K(T)₁ eine Funktion der Temperatur TG des Gases in der Brennkammer 5 bei Kompressionsbeginn. Bei Kompressionsbeginn steigt mit sinkender Temperatur TG des Gases in der Brennkammer 5 der Wert K(T)₁. Wie 12B zeigt, ist K(T)₂ eine Funktion der Temperaturdifferenz TW – TG. Je geringer die Temperaturdifferenz TW – TG, desto größer der Wert K(T)₂. In den 12A und 12B kennzeichnet T₁ die Bezugstemperatur und T₂ die Bezugstemperaturdifferenz. Bei TG = T₁ und (TW – TG) = T₂ wird die erste Grenzlinie die in 11 dargestellte Linie X₀(N).
Andererseits ist K(N) eine Funktion der Maschinendrehzahl N, wie 12C zeigt. Mit steigender Maschinendrehzahl N wird der Wert K(N) kleiner. Das heißt, daß beim Absenken der Temperatur TG des Gases in der Brennkammer 5 unter die Bezugstemperatur T₁ bei Kompressionsbeginn die erste Grenzlinie X(N) sich mehr zur Starklastseite bezüglich X₀(N) verschiebt. Wenn die Temperaturdifferenz (TW – TG) kleiner wird als die Bezugstemperaturdifferenz T₂, tritt mit abnehmender Temperaturdifferenz (TW – TG) eine stärkere Verschiebung der ersten Grenzlinie X(N) zur Starklastseite bezüglich X₀(N) ein. Das heißt auch, je höher die Maschinendrehzahl N, desto geringer die Verschiebung von X(N) zu X₀(N).
13A zeigt das Luft-Brennstoff-Verhältnis L/B im ersten Betriebsbereich I, wenn die erste Grenzlinie die erste Bezugsgrenzlinie X₀(N) ist. Die Kurven L/B 0 15, L/B = 16 und L/B = 17 in 13A beziehen sich auf ein Luft-Brennstoff-Verhältnis 15, 16 bzw. 17. Die Luft-Brennstoff-Verhältnisse zwischen diesen Kurven werden durch Proportionalverteilung bestimmt. Wie aus 13A hervorgeht, wird im ersten Betriebsbereich I das Luft-Brennstoff-Verhältnis mager, und zwar um so magerer, je geringer die erforderliche Last L.
Das heißt, je kleiner die erforderliche Last L, desto geringer die durch Verbrennung erzeugte Wärmemenge. Demzufolge kann bei kleinerer erforderlicher Kraft die Verbrennung bei niedrigerer Temperatur stattfinden, selbst wenn die AR-Rate verringert wird. Mit einer Verringerung der AR-Rate wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis größer. Demzufolge wird bei geringerer erforderlicher Last L das Luft-Brennstoff-Verhältnis L/B vergrößert, wie 13A zeigt. Je größer das Luft-Brennstoff-Verhältnis wird, desto besser die Brennstoffeffizienz. Um bei der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung das Luft-Brennstoff-Verhältnis so mager wie möglich einzustellen, wird dieses mit abnehmender erforderlicher Last L erhöht. Auch wenn die Brennstoffeffizienz nicht in Betracht gezogen wird, besteht im ersten Betriebsbereich I die Möglichkeit, ein geringes konstantes Luft-Brennstoff-Verhältnis, zum Beispiel L/B = 15 einzustellen.
13B zeigt das Luft-Brennstoff-Verhältnis L/B im ersten Betriebsbereich I, wenn als erste Grenzlinie die in 11 dargestellte Linie X(N) ist. Wenn die beiden 13A und 13B miteinander verglichen werden, ist bei einer Verschiebung der ersten Grenzlinie X(N) zur Starklastseite bezüglich X₀(N) ebenfalls eine Verschiebung der die Luft-Brennstoff-Verhältnisse repräsentierenden Kurven L/B = 15, L/B = 16 und L/B = 17 zur Starklastseite zu verzeichnen. Das heißt, daß bei einer Verschiebung der ersten Grenzlinie X(N) zur Starklastseite bezügliche X₀(N) das Luft-Brennstoff-Verhältnis L/B bei gleicher erforderlicher Last L und gleicher Maschinendrehzahl N höher wird. Mit anderen Worten, bei einer Erweiterung des ersten Betriebsbereiches I in Richtung Starklastseite wird nicht nur der Betriebsbereich, in welchem fast kein Ruß und fast kein NO_x entsteht, erweitert, sondern auch die Brennstoffeffizienz verbessert.
Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Luft-Brennstoff-Zielverhältnisse im ersten Betriebsbereich I für unterschiedliche erste Grenzlinien X(N), d. h. für unterschiedliche K(T)-Werte als Funktion der erforderli chen Last L und der Maschinendrehzahl N in Form einer Tafel gemäß den 14A bis 14D vorab im ROM 32 gespeichert. Von diesen 14 zeigt 14A das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LBKT1 bei K(T) gleich KT1, 14B das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LBKT2 bei K(T) gleich KT2, 14C das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LBKT3 bei K(T) gleich KT3 und 14D das Luft-Brennstoff-Ziel-Verhältnis LBKT4 bei K(T) gleich KT4.
Die zum Erreichen der Luft-Brennstoff-Zielverhältnisse LBKT1, LBKT2, LBKT3 und LBKT4 erforderlichen Öffnungszielgrade des Drosselventils 16 werden als Funktion der erforderlichen Last L und der Maschinendrehzahl N in Form einer Tafel gemäß den 15A bis 15D vorab im ROM 32 gespeichert. Außerdem werden die zum Erreichen der Luft-Brennstoff-Zielverhältnisse LBKT1, LBKT2, LBKT3 uns LBKT4 erforderlichen Öffnungsgrundzielgrade des AR-Regelventils 26 als Funktion der erforderlichen Last L und der Maschinendrehzahl N in Form einer Tafel gemäß den 16A bis 16D vorab im ROM 32 gespeichert.
Von diesen 15 und 16 zeigt 15A den Öffnungszielgrad ST15 des Drosselventils 23 bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 15 und 16A den Öffnungsgrundzielgrad SE15 des AR-Regelventils 23 bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 15.
15B zeigt den Öffnungszielgrad ST16 des Drosselventils 23 bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 16 und 16A den Öffnungsgrundzielgrad SE16 des AR-Regelventils 23 bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 16.
15C zeigt den Öffnungszielgrad ST17 des Drosselventils 23 bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 17 und 16C den Öffnungsgrundzielgrad SE17 des AR-Regelventils 23 bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 17.
15D zeigt den Öffnungszielgrad ST18 des Drosselventils 23 bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 18 und 16D den Öffnungsgrundzielgrad SE18 des AR-Regelventils 23 bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 18.
17 zeigt das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis bei der zweiten Verbrennung, d. h. bei der normalen bzw. herkömmlichen Verbrennung. Die in 17 dargestellten Kurven L/B = 24, L/B = 35, L/B = 45 und L/B = 60 gelten für das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis 24, 35, 45 bzw. 60. Die zum Erreichen dieser Luft-Brennstoff-Zielverhältnisse erforderlichen Öffnungszielgrade ST des Drosselventils 16 werden als Funktion der erforderlichen Last L und der Maschinendrehzahl N in Form der in 18A dargestellten Tafel vorab im ROM 32 gespeichert. Die zum Erreichen dieser Luft-Brennstoff-Zielgrade erforderlichen Öffnungszielgrade SE des AR-Regelventils 23 werden als Funktion der erforderlichen Last L und der Maschinendrehzahl N in Form der in 18B dargestellten Tafel ebenfalls vorab im ROM 32 gespeichert.
Wenn die Maschine im zweiten Betriebsbereich II arbeitet, wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf das in 17 dargestellte Luft-Brennstoff-Zielverhältnis eingestellt. Auch wenn die Maschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet, wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf das in 17 dargestellte Luft-Brennstoff-Zielverhältnis eingestellt, wenn die zweite Verbrennung stattfinden soll.
19 zeigt das Programm zur Steuerung der Niedrigtemperaturverbrennung, d. h. der im ersten Betriebsbereich I stattfindenden Verbrennung.
In Schritt 100 werden die Temperatur TG des Gases in der Brennkammer 5 bei Kompressionsbeginn und die Temperatur TW der Innenwand des Zylinders berechnet. Bei dieser Ausführungsform wird die vom Temperatursensor 44 ermittelte Temperatur des aus angesaugter Luft und R-Abgas zusammengesetzten Mischgases als Temperatur TG des Gases in der Brennkammer 5 bei Kompressionsbeginn und die vom Temperatursensor 29 ermittelte Temperatur des Maschinenkühlwassers als Temperatur TW der Innenwand des Zylinders angesehen. In Schritt 101 wird aus der in 12A dargestellten Beziehung K(T)₁ und aus der in 12B dargestellten Beziehung K(T)₂ entnommen und beide Werte werden zur Berechnung von K(T) addiert, d. h. K(T) = K(T)1 + K(T)2.
In Schritt 102 wird aus der in 12C dargestellten, auf der Maschinendrehzahl N basierenden Beziehung der Wert K(N) berechnet. In Schritt 103 wird der vorab gespeicherte Wert X₀(N) der ersten Grenzlinie zur Berechnung des Wertes X(N) der ersten Grenzlinie aus folgender Gleichung berechnet: X(N) = X0(N) + K(T)·K(N).
In Schritt 104 wird aus der in 8 dargestellten, auf der Maschinendrehzahl N basierenden Beziehung der Wert ΔL(N) berechnet und in Schritt 105 zur Berechnung des zweiten Grenzwertes Y(N) der Wert ΔL(N) von X(N) subtrahiert, d. h. Y(N) = {X(N) – ΔL(N)}.
Nachfolgend wird in Verbindung mit 20 die Änderung der Maschinendrehzahl N und der Abgastemperatur T nach Ablauf einer kleinen Zeitspanne ab Start des Maschinenbetriebs beschrieben.
Wenn der Maschinenbetrieb gestartet wird, findet zunächst die zweite Verbrennung statt, welcher eine allmähliche Erhö hung der Abgastemperatur T einhergeht. Wenn dann der Katalysator 19 aktiviert ist, steigt durch die im Katalysator 19 ablaufende Oxidationsreaktion die Temperatur TE des Abgases hinter diesem, dargestellt durch die durchgehenden Linie, über die Temperatur TEI des Abgases vor diesem, dargestellt durch die gestrichelte Linie. Die Temperatur TE des Abgases hinter dem Katalysator erreicht schließlich den Wert TE₀. Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Katalysator 19 aktiviert, wenn die Temperaturdifferenz (TE – TEI) zwischen der Abgastemperatur TE hinter diesem und der Abgastemperatur TEI vor diesem eine vorbestimmten Größe, zum Beispiel 10°C überschreitet. Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Katalysator 19 aktiviert, wenn die Temperatur TE des Abgases hinter diesem eine vorbestimmte Größe TE₀, zum Beispiel 300°C erreicht.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform findet die zweite Verbrennung nach Start des Maschinenbetriebs bis zur Aktivierung des Katalysators 19 statt. Nach Aktivierung des Katalysators 19 findet entweder die erste oder die zweite Verbrennung statt.
Bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Maschinenleerlaufdrehzahl erhöht, der Einspritzstartbeginn verzögert und der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 so weit vorverlegt, daß bei Maschinenstart die schnellstmögliche Aktivierung des Katalysators 19 erfolgt.
Das heißt, daß bei Maschinenstart das Drosselventil 16 vollständig geöffnet, der Öffnungsgrad des AR-Regelventils 23 auf ein vorbestimmtes Optimum geregelt und die Brennstoffeinspritzmenge Q im Vergleich zur Einspritzmenge bei stattfindender zweiter Verbrennung nach Aktivierung des Katalysa tors 19 genau um ΔQ erhöht wird. Wie 20 zeigt, wird bei Maschinenstart infolge der genannten Parameter die Maschinenleerlaufdrehzahl N auf einem bestimmten Wert, zum Beispiel 1400 min^–1 konstant beibehalten, welche wesentlich höher ist als die Maschinenleerlaufdrehzahl nach Aktivierung des Katalysators 19, zum Beispiel 600 min^–1. Bei steigender Maschinenleerlaufdrehzahl N steigt die Abgastemperatur, so daß die Aktivierung des Katalysators 19 beschleunigt wird.
Außerdem wird nach Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten verbrennung der Einspritzzeitpunkt θS um exakt Δθ5 verzögert. Bei einer Verzögerung des Einspritzzeitpunktes θ5 dauert die Verbrennung länger, so daß die Abgastemperatur steigt und folglich der Katalysator 19 früher aktiviert wird.
Außerdem wird das Auslaßventil 9 früher geöffnet als nach Aktivierung des Katalysators 19. Der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 wird von der Betätigungseinheit 48 gesteuert. 21A zeigt die Betätigungseinheit 48 vergrößert. In 21A kennzeichnet das Bezugszeichen 50 eine oben am Auslaßventil 9 befestigte Scheibe aus Eisen, kennzeichnen die Bezugszeichen 51 und 52 einen an jeder Seite der Eisenscheibe 50 angeordneten Magnet und die Bezugszeichen 53 und 54 eine an jeder Seite der Eisenscheibe 50 angeordnete Druckfeder. Wenn der Magnet 52 erregt wird, zieht dieser die Eisenscheibe 50 nach oben, wodurch das Auslaßventil 9 die Brennkammer schließt. Wenn der Magnet 51 erregt wird, zieht dieser die Eisenscheibe 50 nach unten, wodurch das Auslaßventil 9 die Brennkammer öffnet. Durch Steuerung der Erregung dieser beiden Magnete 51 und 52 kann das Betätigen des Auslaßventils zum Öffnen bzw. Schließen der Brennkammer zu jedem beliebigen Zeitpunkt erfolgen. Die Betätigungseinheit 47 hat den gleichen Aufbau wie die Betätigungseinheit 48, so daß auch das Einlaßventil 7 zum Öffnen und Schließen der Brennkammer zu jedem beliebigen Zeitpunkt betätigt werden kann.
In 21B kennzeichnen die Bezugszeichen EO und M den Öffnungszeitpunkt bzw. die Öffnungszeit des Auslaßventils 9 nach Aktivierung des Katalysators 19. Das Bezugszeichen EO + α kennzeichnet den Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 vor Aktivierung des Katalysators 19. Aus 21B ist zu erkennen, daß bei Maschinenstart das Auslaßventil 9 um die Größe α früher geöffnet wird als nach Aktivierung des Katalysators 19. Das bedeutet ein Ansteigen der Abgastemperatur und eine frühere Aktivierung des Katalysators 19. Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform wird nach der Umstellung von der zweiten auf die erste Verbrennung das vorzeitige Öffnen des Auslaßventils 9 noch eine bestimmte Zeit beibehalten, um die Temperatur des Katalysators 19 ausreichend zu erhöhen.
Nachfolgend wird in Verbindung mit den 22 und 23 eine erste Ausführungsform der Steuerung des Maschinenbetriebs beschrieben.
In Schritt 200 wird geprüft, ob ein Aktivierungsbestätigungsflag, welches die Aktivierung des Katalysators 19 anzeigt, gesetzt worden ist. Wenn das nicht der Fall ist, d. h. der Katalysator 19 noch nicht aktiviert ist, geht der Ablauf zu Schritt 201 über, in welchem geprüft wird, ob die Temperaturdifferenz (TE – TEI) zwischen der vom Temperatursensor 46 hinter dem Katalysator 19 gemessenen Abgastemperatur TE und der vom Temperatursensor 45 vor dem Katalysator 19 gemessenen Abgastemperatur TEI größer ist als eine vorbestimmte Differenz ΔT von 10°C zum Beispiel. Wenn TE – TEI ≤ TΔ, geht der Ablauf zu Schritt 202 über.
In Schritt 202 wird der Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 auf 100% und dann in Schritt 203 der Öffnungszielgrad SE des AR-Regelventils 23 auf die vorbestimmte Größe SES eingestellt. In Schritt 204 wird nach Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung der Brennstoffeinspritzmenge Q der vorbestimmte Wert ΔQ zugeschlagen, um die entgültige Brennstoffeinspritzmenge Q (= Q + ΔQ) zu berechnen. In Schritt 205 wird nach Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung vom Einspritzzeitpunkt θS die feste Größe ΔθS subtrahiert, um den entgültigen Einspritzzeitpunkt θS (= θS – Δθ5) zu berechnen. In Schritt 206 wird der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO + α eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt findet die zweite Verbrennung statt.
Wenn in Schritt 201 festgestellt wird, daß TE – TEI > ΔT, d. h. die Aktivierung des Katalysators 19 bestätigt wird, geht der Ablauf zu Schritt 207 über, um das Aktivierungsbestätigungsflag zu setzen. In Schritt 208 wird geprüft, ob bei TE – TEI > ΔT eine festgelegte Zeit abgelaufen ist. Wenn das nicht der Fall ist, wird der Ablauf zu der in 23 dargestellten Betriebssteuerung verschoben und die erste oder die zweite Verbrennung durchgeführt. Wenn in der nächsten Verarbeitungsstufe in Schritt 200 das Setzen des Aktivierungsbestätigungsflags bestätigt wird, geht der Ablauf zu Schritt 208 über. Wenn in Schritt 208 die Bestätigung erfolgt, daß bei TE – TEI > ΔT die festgelegte Zeit abgelaufen ist, geht der Ablauf zu Schritt 209 über, in welchem der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO eingestellt wird.
Daraus ist zu erkennen, daß bei TE – TEI > ΔT der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 vorgezogen bleibt, bis eine festgelegte Zeit abgelaufen ist.
Bei Durchführung der in 23 dargestellten Betriebssteuerung nach der Aktivierung des Katalysators 19 wird geprüft, ob das Flag I, welches auf das Betreiben der Maschine im ersten Betriebsbereich I hinweist, gesetzt wurde. Wenn das der Fall ist, d. h., die Maschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet, geht der Ablauf zu Schritt 210 über, um zu prüfen, ob die erforderliche Last L über die erste Grenzlinie X(N) angestiegen ist. Bei L ≤ X(N) geht der Ablauf zu Schritt 211 über, um die erste Verbrennung, d. h. die Niedrigtemperaturverbrennung durchzuführen.
Mit anderen Worten, in Schritt 211 werden von den in den 14A bis 14D dargestellten Tafeln zwei Tafeln entsprechend K(T) verwendet, um durch Proportionalverteilung das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LB zu berechnen. In Schritt 212 werden von den in den 15A bis 15D dargestellten Tafeln zwei Tafeln entsprechend dem Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LB verwendet, um durch Proportionalverteilung den Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 zu berechnen. Der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 wird auf den Öffnungszielgrad ST geregelt. In Schritt 213 werden aus den in den 16A bis 16D dargestellten Tafeln zwei Tafeln entsprechend dem Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LB verwendet, um durch Proportionalverteilung den Öffnungszielgrad SE des AR-Regelventils 23 zu berechnen. In Schritt 214 wird die Einspritzmenge Q und in Schritt 215 der Einspritzzeitpunkt θS berechnet. Danach geht der Ablauf zu Schritt 216 über.
In Schritt 216 wird ermittelt, ob das vom Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor 21 erfaßte tatsächliche Luft-Brennstoff- Verhältnis L/B größer ist als das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis. Bei L/B > LB, geht der Ablauf zu Schritt 217 über, in welchem der vorbestimmte Wert β dem Korrekturwert ΔSE für den Öffnungsgrad des AR-Regelventils 23 zuaddiert wird, worauf der Ablauf zu Schritt 219 übergeht. Wenn L/B ≤ LB, geht der Ablauf zu Schritt 218 über, in welchem der vorbestimmte Wert β vom Korrekturwert ΔSE subtrahiert wird, worauf der Ablauf zu Schritt 219 übergeht. In Schritt 219 wird der Korrekturwert ΔSE dem Öffnungsgrundzielgrad SE des AR-Regelventils 23 zuaddiert, um den Öffnungszielgrad SEO des AR-Regelventils 23 zu berechnen. Der Öffnungsgrad des AR-Regelventils 23 wird auf diesen Öffnungszielgrad SEO eingeregelt. Bei dieser Ausführungsform heißt das, daß durch Regelung des Öffnungsgrades des AR-Regelventils 23 das tatsächliche Luft-Brennstoff-Verhältnis auf das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LB geregelt wird. In diesem Fall besteht aber auch die Möglichkeit, durch Regelung des Öffnungsgrades des Drosselventils 16 das tatsächliche Luft-Brenn-Verhältnis auf das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis zu regeln.
Wenn in Schritt 210 festgestellt wird, daß L > X(N), geht der Ablauf zu Schritt 220 über, in welchem das Entfernen des Flags I erfolgt, worauf der Ablauf dann zu Schritt 223 übergeht, in welchem die zweite Verbrennung, d. h. die herkömmliche normale Verbrennung stattfindet.
Mit anderen Worten, in Schritt 223 wird durch Verwendung der in 18A dargestellten Tafel der Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 berechnet, bevor der Ablauf zu Schritt 224 übergeht, in welchem durch Verwendung der in 18B dargestellten Tafel der Öffnungsgrad SE des AR-Regelventils 23 berechnet wird. In Schritt 225 wird die Brennstoffeinspritz menge Q und in Schritt 226 der Einspritzzeitpunkt θS berechnet.
Wenn in Schritt 209 festgestellt wird, daß das Flag I entfernt wurde, d. h. die Maschine im zweiten Betriebsbereich II arbeitet, geht der Ablauf zu Schritt 221 über, in welchem ermittelt wird, ob die erforderliche Last L kleiner geworden ist als der zweite Grenzwert Y(N). Bei L ≥ Y(N), geht der Ablauf zu Schritt 223 über. Bei L < Y(N) geht der Ablauf zu Schritt 222 über, in welchem das Flag I gesetzt wird. Danach geht der Ablauf zu Schritt 211 über, in welchem die erste Verbrennung, d. h. die Niedrigtemperaturverbrennung stattfindet. Wenn die Maschine bei TE – TEI > ΔT im ersten Betriebsbereich I arbeitet, findet die Niedrigtemperaturverbrennung statt, wenn die Maschine aber im zweiten Betriebsbereich II arbeitet, findet die zweite Verbrennung statt.
Nachfolgend wird in Verbindung mit 24 eine zweite Ausführungsform der Betriebssteuerung der Maschine beschrieben.
In Schritt 300 wird ermittelt, ob das Aktivierungsbestätigungsflag, welches die Aktivierung des Katalysators 19 bestätigt, gesetzt worden ist. Wenn das nicht der Fall ist, d. h., der Katalysator 19 noch nicht aktiviert ist, geht der Ablauf zu Schritt 301 über, in welchem geprüft wird, ob die vom Temperatursensor 46 gemessenen Temperatur TE des Abgases hinter dem Katalysator 19 höher ist als eine vorbestimmte Temperatur TE₀, zum Beispiel 300°C. Bei TE ≤ TE₀ geht der Ablauf zu Schritt 302 über.
In Schritt 302 wird der Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 auf 100% eingestellt und in Schritt 303 der Öffnungszielgrad SE des AR-Regelventils 23 auf den vorbestimmten Öffnungsgrad SES eingestellt. In Schritt 304 wird nach Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung der Brennstoffeinspritzmenge Q die vorbestimmte Menge ΔQ zuaddiert, um die entgültige Brennstoffeinspritzmenge Q (= Q + ΔQ) zu berechnen. Im nachfolgenden Schritt 305 wird nach Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung die feste Zeit ΔθS vom Einspritzzeitpunkt θS subtrahiert, um den entgültigen Einspritzzeitpunkt θS (= θS – ΔθS) zu berechnen. In Schritt 306 wird der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO + α eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt findet die zweite Verbrennung statt.
Wenn in Schritt 301 bestätigt wird, daß TE > TE₀, d. h. der Katalysator 19 aktiviert wurde, geht der Ablauf zu Schritt 307 über, in welchem das Aktivierungsbestätigungsflag gesetzt wird. In Schritt 308 wird geprüft, ob ab dem Zeitpunkt, bei welchem TE > TE₀, eine festgelegte Zeit abgelaufen ist. Wenn das nicht der Fall ist, verschiebt der Ablauf sich zu der in 23 angedeuteten Betriebssteuerung nach der Aktivierung und die erste oder zweite Verbrennung findet statt. Im nächsten Prozeßzyklus wird in Schritt 300 festgestellt, daß das Aktivierungsbestätigungsflag gesetzt wurde, worauf der Ablauf zu Schritt 308 übersprint. Wenn in Schritt 308 festgestellt wird, daß ab TE > Te₀ die festgelegte Zeit abgelaufen ist, geht der Ablauf zu Schritt 309 über, in welchem der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO eingestellt wird. Daraus ist ersichtlich, daß bis Ablauf der vorbestimmten Zeit ab TE > TE₀ der vorgezogene Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 beibehalten bleibt.
25 zeigt den Beurteilungsfall, ob bei vorübergehender Erhöhung der Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas während der zweiten Verbrennung der Katalysator aktiviert wird, wobei eine vorübergehende Erhöhung der Mengen an unverbrann tem HC und CO im Abgas im Bereich F der Katalysator aktiviert wird. Anzumerken ist, daß bei der dritten, vierten, fünften und sechsten Ausführungsform, welche nachfolgend beschrieben werden, die Aktivierung des Katalysators erfolgt, wenn die Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas vorübergehend erhöht werden und die Temperatur TE des Abgases hinter dem Katalysator 19 den vorausbestimmten Wert TE_d (< TE₀) erreicht.
Wenn bei der dritten Ausführungsform die Niedrigtemperaturverbrennung im Bereich F durchgeführt werden kann, erfolgt das exakt über eine festgelegte Zeit. Das heißt, daß bei Durchführung der zweiten Verbrennung das Abgas Überschußsauerstoff enthält, so daß der Katalysator 19 eine große Menge davon adsorbiert. Wenn in diesem Zustand die Niedrigtemperaturverbrennung vorübergehend stattfindet, werden große Mengen an unverbranntem HC und CO aus der Brennkammer 5 ausgestoßen, welche aber von dem im Katalysator 19 adsorbiertem Sauerstoff sofort oxidiert werden können. Durch die bei dieser Reaktion erzeugte Wärme kann die Temperatur des Katalysators 19 schnell erhöht werden, so daß dieser innerhalb kurzer Zeit aktiviert wird.
Nachfolgend wird in Verbindung mit 26 eine dritte Ausführungsform der Steuerung des Maschinenbetriebs beschrieben.
Zuerst wird in Schritt 400 ermittelt, ob das die Aktivierung des Katalysators 19 bestätigende Aktivierungsbestätigungsflag gesetzt wurde. Wenn das nicht der Fall ist, d. h. der Katalysator 19 noch nicht aktiviert ist, geht der Ablauf zu Schritt 401 über, in welchem geprüft wird, ob die vom Temperatursensor 46 erfaßte Abgastemperatur TE hinter dem Katalysator 19 den vorbestimmten Wert TE_d, zum Beispiel 250°C er reicht hat. Bei TE ≤ TE_d geht der Ablauf zu Schritt 402 über.
In Schritt 402 wird Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 auf 100% und in Schritt 403 der Öffnungszielgrad SE des AR-Regelventils 23 auf die vorbestimmte Größe SES eingestellt. In Schritt 404 wird nach dem Aktivieren des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung die vorbestimmte Menge ΔQ der Brennstoffeinspritzmenge Q zuaddiert, um die entgültige Brennstoffeinspritzmenge Q (= Q + ΔQ) zu berechnen. In Schritt 405 wird nach der Aktivierung des Katalysators 19 während der weiten Verbrennung die festgelegte Zeit ΔθS vom Einspritzzeitpunkt θS subtrahiert, um den entgültigen Einspritzzeitpunkt θS (= θS – ΔθS) zu berechnen, In Schritt 406 wird der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO + α eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt findet die zweite Verbrennung statt.
Wenn in Schritt 401 festgestellt wird, daß TE > TE_d, geht der Ablauf zu Schritt 407 über, in welchem ermittelt wird, ob die erforderliche Last L unter dem ersten Grenzwert X(N) liegt, d. h., ob die Niedrigtemperaturverbrennung stattfinden kann. Bei L ≥ X(N) geht der Ablauf zu Schritt 402 über. Bei L < X(N) geht der Ablauf zu Schritt 408 über, in welchem ermittelt wird, ob die festgelegte Zeit abgelaufen ist. Wenn das nicht der Fall ist, geht der Ablauf zu Schritt 409 über, in welchem der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO eingestellt wird. Danach geht der Ablauf zu Schritt 410 über, in welchem die Niedrigtemperaturverbrennung stattfindet.
Das heißt, in Schritt 410 werden zwei der in den 14A bis 14D dargestellten, K(N) entsprechenden Tafeln verwendet, um durch Proportionalverteilung das Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LB zu berechnen. Danach werden in Schritt 411 zwei der in den 15A bis 15D dargestellten, dem Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LB entsprechenden Tafeln verwendet, um durch Proportionalverteilung den Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 zu berechnen. Der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 wird auf den Öffnungszielgrad ST geregelt. Nachfolgend werden in Schritt 412 zwei der in den 16A bis 16D dargestellten, dem Luft-Brennstoff-Zielverhältnis LB entsprechenden Tafeln verwendet, um durch Proportionalverteilung den Öffnungszielgrad SE des AR-Regelventils 23 zu berechnen. Der Öffnungsgrad des AR-Regelventils 23 wird auf den Öffnungszielgrad SE geregelt. Danach wird in Schritt 413 die Brennstoffeinspritzmenge Q (= Q + ΔQ) und in Schritt 414 der Einspritzzeitpunkt θS berechnet.
Wenn in Schritt 408 aber festgesellt wird, daß die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, geht der Ablauf zu Schritt 415 über, um das Aktivierungsbestätigungsflag zu setzen. Danach wird die in 23 dargestellte Steuerung nach der Aktivierung durchgeführt, bei welcher die erste oder die zweite Verbrennung stattfindet. Nach erfolgtem Setzen des Aktivierungsflags geht der Ablauf von Schritt 400 zu der in 23 dargestellten Betriebssteuerung über.
27 zeigt eine vierte Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform wird das VIGOM-Einspritzen im Bereich F des in 25 dargestellten Diagramms durchgeführt. Das heißt, eine geringe Brennstoffmenge Q₁ wird bei geöffnetem Einlaßventil am oberen Totpunkt, die Hauptmenge Q₂ bei Kompression am oberen Totpunkt eingespritzt. Beim VIGOM-Einspritzen ist es möglich, ein fettes Luft-Brennstoff-Verhältnis einzustellen und trotzdem die Rußerzeugung zu unterbinden. Das heißt, bei der vierten Ausführungsform wird das VIGOM-Einspritzen so vorgenommen, daß in dem in 25 gezeigten Bereich F das Luft-Brennstoff-Verhältnis fett ist, so daß große Mengen an unverbranntem HC und CO aus der Brennkammer 5 ausgestoßen werden.
Nachfolgend wird in Verbindung mit 28 die vierte Ausführungsform der Betriebssteuerung erläutert.
Zuerst wird in Schritt 500 ermittelt, ob das Aktivierungsbestätigungsflag gesetzt wurde, welches die erfolgte Aktivierung des Katalysators 19 anzeigt. Wenn das nicht der Fall ist, d. h. der Katalysator 19 noch nicht aktiviert ist, geht der Ablauf zu Schritt 501 über, in welchem ermittelt wird, ob die vom Temperatursensor 46 hinter dem Katalysator 19 gemessene Abgastemperatur TE höher ist als die vorbestimmte Temperatur TE_d. Bei TE ≤ TE_d geht der Ablauf zu Schritt 502 über.
In Schritt 502 wird der Öffnungszielgrad des Drosselventils 16 auf 100% und dann in Schritt 503 der Öffnungszielgrad SE des AR-Regelventils 23 auf den vorbestimmten Öffnungsgrad SES 23 eingestellt. In Schritt 504 wird nach Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung der Brennstoffeinspritzmenge Q die vorbestimmte Menge ΔQ zuaddiert, um die entgültige Brennstoffeinspritzmenge Q (= Q + ΔQ) zu berechnen. Im nachfolgenden Schritt 505 wird nach Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung die festgelegte Zeit ΔθS vom Einspritzzeitpunkt θS subtrahiert, um den entgültigen Einspritzzeitpunkt θS (= θS – ΔθS) zu berechnen. In Schritt 506 wird der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO + α eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt findet die weite Verbrennung statt.
Wenn in Schritt 501 aber ermittelt wird, daß TE ≤ TE_d, geht der Ablauf zu Schritt 507 über, in welchem ermittelt wird, ob die festgelegte Zeit abgelaufen ist. Wenn das nicht der Fall ist, geht der Ablauf zu Schritt 508 über, um den Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO einzustellen. Danach geht der Ablauf zu Schritt 509 über, in welchem das VIGOM-Einspritzen durchgeführt wird, um ein fettes Luft-Brennstoff-Verhältnis zu erhalten.
Das heißt, in Schritt 509 wird der Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 und in Schritt 510 der Öffnungsgrad SE des AR-Regelventils 23 berechnet. Im nachfolgenden Schritt 511 werden die Brennstoffmengen Q₁ und Q₂ und in Schritt 512 die Einspritzzeitpunkte θS1 und θS2 berechnet (27).
Wenn in Schritt 507 festgestellt wird, daß die vorgegebene Zeit abgelaufen ist, geht der Ablauf zu Schritt 513 über, um das Aktivierungsbestätigungsflag zu setzen. Dann wird die in 23 dargestellte Betriebssteuerung nach Aktivierung durchgeführt, bei welcher die erste oder die zweite Verbrennung stattfindet. Wenn das Aktivierungsbestätigungsflag gesetzt ist, geht der Ablauf von Schritt 500 zu der in 23 dargestellten Betriebssteuerung nach der Aktivierung über.
29 zeigt eine fünfte Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform wird in dem in 25 dargestellten Bereich F das VIGOM-Einspritzen durchgeführt, die Überlappungszeit, in welcher sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil geöffnet sind, verlängert und während dieser Ventilüberlappungszeit mindestens ein Teil des Brennstoffs eingespritzt, so daß große Mengen an unverbranntem HC und CO aus der Brennkammer 5 ausgestoßen werden. Dieser Vorgang wird nach folgend in Verbindung mit den 29A und 29B detailliert beschrieben.
29A zeigt die Anhebkurve des Einlaßventils 7 und die des Auslaßventils 9. Dabei verweist die durchgehende Linie auf eine relativ kurze, die gestrichelte Linie auf eine längere Ventilüberlappungszeit, in welcher das Einlaßventil und das Auslaßventil geöffnet sind. Die Ventilüberlappungszeit kann durch die Betätigungselemente 47 und 48 auf einfache Weise gesteuert werden.
In einer Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung, entsteht aber beim Öffnen des Auslaßventils 9 vorübergehend ein Überdruck im Auslaßkanal 10, wobei diese Überdruckwelle sich in Strömungsrichtung fortpflanzt und zum Beispiel im Sammelabschnitt des Verteilers in Form einer Unterdruckwelle reflektiert wird. Diese Unterdruckwelle pflanzt sich entgegen Strömungsrichtung fort. Dadurch wird unmittelbar vor dem Schließen des Auslaßventils 9 ein Vakuum im Auslaßkanal 10 erzeugt. Das heißt, daß während der Ventilüberlappungszeit ein Teil der vom Einlaßkanal 8 zur Brennkammer 5 geleiteten Luft infolge des Vakuums aus dem Auslaßkanal 10 strömt. Je länger die Ventilüberlappungszeit, desto größer die ausströmende Luftmenge. Wenn die Ventilüberlappungszeit verlängert und während dieser Zeit Brennstoff eingespritzt wird, strömt eine große Menge an unverbranntem HC zusammen mit der Luft aus dem Auslaßkanal 10.
Wie 29B zeigt, wird bei der fünften Ausführungsform in dem in 25 dargestellten Bereich F die Ventilüberlappungszeit verlängert und in dieser Zeit die erste Brennstoffmenge Q₁ eingespritzt, während das Einspritzen der zweiten Brennstoffmenge Q₂ am Ende der Kompression nahe dem oberen Totpunkt erfolgt.
Nachfolgend wird in Verbindung mit 30 die fünfte Ausführungsform der Maschinenbetriebssteuerung erläutert.
Zuerst wird in Schritt 600 geprüft, ob das die Aktivierung des Katalysators 19 bestätigende Aktivierungsbestätigungsflag gesetzt wurde. Wenn das nicht der Fall ist, d. h. der Katalysator 19 noch nicht aktiviert ist, geht der Ablauf zu Schritt 601 über, in welchem ermittelt wird, ob die vom Temperatursensor 46 hinter dem Katalysator 19 gemessene Abgastemperatur höher ist als die vorbestimmte Temperatur TE_d. Bei TE ≤ TEd geht der Ablauf zu Schritt 602 über.
In Schritt 602 wird der Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 auf 100% und dann in Schritt 603 der Öffnungszielgrad SE des AR-Regelventils 23 auf den vorbestimmten Wert SES eingestellt. In Schritt 604 wird nach Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung der Brennstoffmenge Q die vorbestimmte Menge ΔQ zuaddiert, um die entgültige Brennstoffeinspritzmenge Q (= Q + ΔQ) zu berechnen. In Schritt 605 wird nach Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung die festgelegte Zeit ΔθS vom Einspritzzeitpunkt θS subtrahiert, um den entgültigen Einspritzzeitpunkt θS (= θS – ΔθS) zu berechnen. Danach wird in Schritt 606 der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO + α eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt findet die zweite Verbrennung statt.
Wenn in Schritt 601 festgestellt wird, daß TE > TE_d, geht der Ablauf zu Schritt 607 über, in welchem ermittelt wird, ob die vorgegebene Zeit abgelaufen ist. Wenn das nicht der Fall ist, geht der Ablauf zu Schritt 608 über, in welchem der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils auf EO eingestellt wird. Danach geht der Ablauf zu Schritt 609 über, in welchem der Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 berechnet wird, worauf dann in Schritt 610 die Berechnung des Öffnungszielgrades SE de AR-Regelventils 23 erfolgt. Danach werden in Schritt 611 die Betätigungselemente 47 und 48 angesteuert, um die Ventilüberlappungszeit zu verlängern. In Schritt 612 werden die erste Brennstoffeinspritzmenqe Q₁ und die zweite Brennstoffeinspritzmenge Q₂ und in Schritt 613 die Einspritzzeitpunkte θS1 und θS2 berechnet, wie 29B zeigt.
Wenn in Schritt 607 festgestellt wird, daß die vorgegebene Zeit abgelaufen ist, geht der Ablauf zu Schritt 614 über, um das Aktivierungsbestätigungsflag zu setzen. Danach wird die in 23 dargestellte Betriebssteuerung nach der Aktivierung durchgeführt, bei welcher die erste oder die zweite Verbrennung stattfindet. Wenn das Aktivierungsbestätigungsflag gesetzt wurde, geht der Ablauf von Schritt 600 zu der in 23 dargestellten Betriebssteuerung nach der Aktivierung über.
31 zeigt eine sechste Ausführungsform. Da bei dieser Ausführungsform nach dem Einspritzen der Hauptmenge Q1 an Brennstoff in dem in 25 dargestellten Bereich F große Mengen an unverbranntem HC und CO aus der Brennkammer 5 ausgestoßen werden, wird im Expansionshub oder Auslaßhub die Brennstoffzusatzmenge Q2 eingespritzt.
Nachfolgend wird in Verbindung mit 32 die sechste Ausführungsform der Maschinenbetriebssteuerung erläutert.
Zuerst wird in Schritt 700 geprüft, ob das die Aktivierung des Katalysators 19 bestätigende Aktivierungsbestätigungsflag gesetzt wurde. Wenn das nicht der Fall ist, d. h. der Katalysator 19 noch nicht aktiviert ist, geht der Ablauf zu Schritt 701 über, in welchem ermittelt wird, ob die vom Temperatursensor 46 hinter dem Katalysator 19 gemessene Abgastemperatur TE höher ist als die vorbestimmte Temperatur TE_d Bei TE ≤ TE_d geht der Ablauf zu Schritt 702 über.
In Schritt 702 wird der Öffnungszielgrad ST des Drosselventils 16 auf 100 und in Schritt 703 der Öffnungszielgrad SE des AR-Regelventils 23 auf den vorbestimmten Öffnungsgrad SES eingestellt. In Schritt 704 wird nach der Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung der Brennstoffeinspritzmenge Q die vorbestimmte Menge ΔQ zuaddiert, um die entgültige Brennstoffeinspritzmenge Q (= Q + Δθ) zu berechnen. In Schritt 705 wird nach der Aktivierung des Katalysators 19 während der zweiten Verbrennung die festgelegte Zeit ΔθS vom Einspritzzeitpunkt θS subtrahiert, um den entgültigen Einspritzzeitpunkt θS (= θS – ΔθS) zu berechnen. Dann wird in Schritt 706 der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO + α eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt findet die zweite Verbrennung statt.
Wenn in Schritt 701 aber festgestellt wird, daß TE > TE_d, geht der Ablauf zu Schritt 707 über, in welchem geprüft wird, ob die vorgegebene Zeit abgelaufen ist. Wenn das nicht der Fall ist, geht der Ablauf zu Schritt 708 über, in welchem der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils 9 auf EO eingestellt wird. Danach geht der Ablauf zu Schritt 709 über, um zusätzlichen Brennstoff einzuspritzen und ein fettes Luft-Brennstoff-Verhältnis einzustellen.
Das heißt, in Schritt 709 wird aus der in 18A dargestellten Tafel der Öffnungszielgrad SE des Drosselventils 16 und in Schritt 710 aus der in 18B dargestellten Tafel der Öffnungszielgrad SE des AR-Regelventils 23 berechnet. Im nachfolgenden Schritt 711 werden die Einspritzhauptmenge Q₁ und die Einspritzzusatzmenge Q₂ berechnet, worauf dann in Schritt 712 die Berechnung des Einspritzzeitpunktes für die Einspritzhauptmenge erfolgt.
Wenn in Schritt 707 festgestellt wird, daß die festgelegte Zeit abgelaufen ist, geht der Ablauf zu Schritt 713 über, um das Aktivierungsbestätigungsflag zu setzen. Danach wird die in 23 dargestellte Betriebssteuerung nach der Aktivierung durchgeführt, bei welcher die erste oder die zweite Verbrennung stattfindet. Wenn das Aktivierungsbestätigungsflag gesetzt wurde, geht der Ablauf von Schritt 700 zu der in 23 dargestellten Betriebssteuerung nach der Aktivierung über.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, vom Zeitpunkt des Startens bis zum Zeitpunkt des Stoppens der Maschine die Rußerzeugung zu unterdrücken.
Obwohl die Erläuterung der Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen erfolgte, sind von Experten auf diesem Gebiet zahlreiche mögliche Modifikationen zu erkennen, ohne daß diese von der Grundkonzeption und dem Geltungsbereich der Erfindung abweichen.
Es wird eine Dieselbrennkraftmaschine vorgeschlagen, bei welcher zwischen einer ersten Verbrennung und einer zweiten Verbrennung selektiv geschaltet wird, wobei während der ersten Verbrennung die Schutzgasmenge in der Brennkammer größer ist als die, bei welcher die erzeugte Rußmenge einen Spitzenwert erreicht und fast kein Ruß erzeugt wird, und während der zweiten Verbrennung die Schutzgasmenge in der Brennkammer geringer ist als die, bei welcher die Spitzenmenge an Ruß erzeugt wird. Die zweite Verbrennung findet nach dem Starten Maschine bis zur Aktivierung des im Maschinenabgassystem angeordneten Katalysators, die erste Verbrennung nach dem Aktivieren des Katalysators statt.

Claims

Dieselbrennkraftmaschine, bei welcher die erzeugte Rußmenge allmählich ansteigt, mit zunehmender Menge an Schutzgas in der Brennkammer einen Spitzenwert erreicht und bei weiterem Ansteigen der Schutzgasmenge in der Brennkammer zum Verbrennungszeitpunkt die Temperatur des Brennstoffs und des diesen umgebenden Gases unter die Rußerzeugungstemperatur absinkt und fast kein Ruß mehr erzeugt wird, wobei die Maschine aufweist: einen Katalysator, welcher im Abgaskanal der Maschine angeordnet ist und Oxydationsfunktion hat, und eine Umschaltvorrichtung zum selektiven Schalten zwischen einer ersten Verbrennung, bei welcher die Schutzgasmenge in der Brennkammer größer ist als diejenige bei welcher die Spitzenmenge an Ruß und nahezu kein Ruß erzeugt wird, und einer zweiten Verbrennung, bei welcher die Schutzgasmenge in der Brennkammer geringer ist als diejenige, bei welcher die Spitzenmenge an Ruß erzeugt wird, wobei während des Startens der Maschine die Umschaltvorrichtung zunächst auf die zweite Verbrennung und dann auf die erste Verbrennung umschaltet.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei der Katalysator mindestens entweder einen Oxydationskatalysator, einen Dreiwege-Katalysator oder ein NO_x-Absorptionselement aufweist.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei in der Auspuffanlage eine Abgasrückführvorrichtung zum Zurückführen einer Menge des aus der Brennkammer ausgestoßenen Abgases in den Ansaugkanal der Maschine angeordnet ist und das zurückgeführte Abgas als Schutzgas dient.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 3, wobei während der ersten Verbrennung die Abgasrückführmenge mindestens 55% beträgt.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei während der Verbrennung im ersten Verbrennungszustand der Brennstoff und das diesen umgebende Gas eine Temperatur hat, bei welcher die Menge an NO_x im Abgas etwa 10 ppm oder weniger beträgt.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei im ersten Verbrennungszustand unverbrannte Kohlenwasserstoffe nicht in Form von Ruß, sondern als Rußvorstufe oder als Vorstufe dieser Rußvorstufe aus der Brennkammer ausgestoßen und vom Katalysator oxidiert werden.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei während des Startens der Maschine und der dabei zuerst stattfindenden zweiten Verbrennung die Maschinenleerlaufdrehzahl höher als normal eingestellt wird.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei während des Startens der Maschine und der dabei zuerst stattfindenden zweiten Verbrennung der Brennstoffeinspritzzeitpunkt verzögert wird.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei während des Startens der Maschine und der dabei zuerst sattfindenden zweiten Verbrennung der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils vorgezogen wird.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 9, wobei nach dem Umschalten von der beim Starten der Maschine zuerst stattfindenden zweiten Verbrennung auf die erste Verbrennung der vorgezogene Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils noch eine bestimmte Zeit beibehalten wird.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei eine Aktivierungsbestätigungsvorrichtung zum Bestätigen der erfolgten Aktivierung des Katalysators angeordnet ist und die Umschaltvorrichtung von der zweiten Verbrennung auf die erste Verbrennung umschaltet, wenn die Aktivierung des Katalysators bestätigt wird.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 11, wobei der Maschinenbetriebsbereich in zwei Bereiche unterteilt wird, in einen Niedriglastbereich, in welchem die erste Verbrennung stattfinden kann, und in einen Hochlastbereich, in welchem die zweite Verbrennung stattfindet, und wobei die Umschaltvorrichtung von der zweiten auf die erste Verbrennung umschaltet, wenn die Maschine im ersten Betriebsbereich arbeitet und die Aktivierung des Katalysators bestätigt wurde.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 11, wobei eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer repräsentativen Temperatur des Katalysators angeordnet ist und bei Überschreiten der repräsentativen Temperatur die Aktivierungsbestätigungsvorrichtung die Aktivierung des Katalysators bestätigt.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 13, wobei die Erfassungsvorrichtung ein im Abgassystem hinter dem Katalysator angeordneter Temperatursensor ist und die Temperatur des durch den Katalysator strömenden Abgases als repräsentative Temperatur angesehen wird.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 11, wobei in Abgasströmungsrichtung gesehen vor und hinter dem Katalysator je ein Temperatursensor angeordnet ist und wobei die Aktivierungsbestätigungsvorrichtung die Aktivierung des Katalysators bestätigt, wenn die Abgastemperatur hinter dem Katalysator mindestens etwas höher ist als die Abgastemperatur vor diesem.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Aktivierungsbestätigungsvorrichtung zur Beurteilung dient, ob bei zeitweiliger Erhöhung der Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas während der zweiten Verbrennung der Katalysator aktiviert wird, und wobei eine Vorrichtung zur vorübergehenden Erhöhung der Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas angeordnet ist, welche die Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas vorübergehend erhöht, wenn bestätigt wird, daß dadurch die Aktivierung des Katalysators erfolgt, und wobei die Bestätigungsvorrichtung das Umschalten von der zweiten Verbrennung auf die erste Verbrennung vornimmt, nachdem von der Mengenerhöhungsvorrichtung die Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas vorübergehend erhöht wurden.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 16, wobei eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der repräsentativen Temperatur des Katalysators angeordnet ist und wobei die Aktivierungsbestätigungsvorrichtung bestätigt, daß durch vorübergehende Erhöhung der Mengen an unverbranntem HC und CO bei Überschreitung der repräsentativen Temperatur um eine vorbestimmte Größe der Katalysator aktiviert wird.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 17, wobei die Erfassungsvorrichtung ein im Abgassystem hinter dem Katalysator angeordneter Temperatursensor ist und die Temperatur des durch den Katalysator strömenden Abgases als repräsentative Temperatur angesehen wird.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 16, wobei während der zweiten Verbrennung die HC- und CO-Mengenerhöhungsvorrichtung vorübergehend auf die erste Verbrennung umschaltet, um die Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas zu erhöhen.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 16, wobei während der zweiten Verbrennung die Vorrichtung zur Erhöhung der Mengen an unverbranntem HC und CO das VIGOM-Einspritzen durchführt und ein fettes Luft-Brennstoff-Verhältnis einstellt, um die Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas zu erhöhen.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 16, wobei eine Ventilsteuervorrichtung zur Steuerung der Überlappungszeit, in welcher das Einlaßventil und das Auslaßventil sich in der Öffnungsstellung befinden, angeordnet ist und wobei während der zweiten Verbrennung die Vorrichtung zur Erhöhung der Mengen an unverbranntem HC und CO die Ventilüberlappungszeit verlängert und während der Überlappungszeit mindestens einen Teil des Brennstoffs einspritzt, um die Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas zu erhöhen.
Dieselbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 16, wobei während der zweiten Verbrennung beim Explosionshub oder Aus stoßhub die Vorrichtung zur Erhöhung der Mengen an unverbranntem HC und CO zusätzlichen Brennstoff einspritzt, um die Mengen an unverbranntem HC und CO im Abgas zu erhöhen.