DE69820167T2

DE69820167T2 - Steuerung für Verbrennung und Abgasrückführung in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69820167T2
Application number: DE69820167T
Authority: DE
Inventors: Shizuo Toyota-shi Sasaki; Satoshi Toyota-shi Iguchi; Takekazu Toyota-shi Ito; Tsukasa Toyota-shi Abe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1998-08-03
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: EP0896141B1; EP0896141A3; EP0896141A2; DE69820167D1; JPH11107861A; US6055968A; JP3061019B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
2. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine
Beschreibung der zugrundeliegenden Technik
In der Vergangenheit wurde in einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einer Diesel-Brennkraftmaschine, die Produktion von NOx durch das Verbinden des Abgaskanals der Brennkraftmaschine mit dem Einlasskanal der Brennkraftmaschine über einen Abgasrückführungskanal (EGR-Kanal) dergestalt unterdrückt, dass das Abgas, das heißt das Rückführungsgas, dazu gebracht wurde, in den Einlasskanal der Brennkraftmaschine durch den Rückführungskanal zu rezirkulieren. In diesem Fall hat das Rückführungsgas eine relativ hohe spezifische Wärme und kann dadurch eine große Menge Wärme absorbieren, so dass, je größer die Menge des Rückführungsgases ist, das heißt, je größer die Abgas-Rückführungsrate (Menge des Rückführungsgases/(Menge des Rückführungsgases + Menge der Ansaugluft)) ist, umso niedriger die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer der Brennkraftmaschine ist. Wenn die Verbrennungstemperatur sinkt, sinkt auch die Menge des produzierten NOx und deshalb gilt, dass, je größer die Abgas-Rückführungsrate ist, umso kleiner die Menge des produzierten NOx ist.
In der Vergangenheit galt deshalb, dass, je größer die Abgas-Rückführungsrate ist, umso kleiner die Menge des produzierten NOx werden kann. Wenn die Abgas-Rückführungsrate gesteigert wird, beginnt allerdings die Menge des erzeugten Rußes, das heißt des Rauchs, stark anzusteigen, sobald die Abgas-Rückführungsrate einen bestimmten Wert übersteigt. In Bezug auf diesen Punkt wurde früher angenommen, dass, wenn die Abgas-Rückführungsrate erhöht würde, der Rauch ohne Begrenzung weiter zunehmen würde. Aus diesem Grund wurde davon ausgegangen, dass die Abgas-Rückführungsrate, bei der die Rauchentwicklung stark ansteigt, der maximal zulässige Grenzwert der Abgas-Rückführungsrate sei.
Aus diesem Grund wurde in der Vergangenheit die Abgas-Rückführungsrate innerhalb eines Bereichs eingestellt, der den maximal zulässigen Grenzwert nicht überschritt (siehe beispielsweise die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Japanese Unexamined Patent Publication) (Kokai) No. 4-334750). Der maximal zulässige Grenzwert für die Abgas-Rückführungsrate differierte deutlich in Abhängigkeit von der Art der Brennkraftmaschine und dem Kraftstoff, lag aber im Allgemeinen ungefähr zwischen 30 und 50 Prozent. Dementsprechend war in konventionellen Diesel-Brennkraftmaschinen die Abgas-Rückführungsrate auf 30 bis maximal 50 Prozent beschränkt.
Da in der Vergangenheit angenommen wurde, dass es einen maximal zulässigen Grenzwert für die Abgas-Rückführungsrate gäbe, wurde in der Vergangenheit die Abgas-Rückführungsrate so eingestellt, dass die Menge des produzierten NOx und Rauchs innerhalb eines Bereichs, der den maximal zulässigen Grenzwert nicht überschritt, so klein wie möglich wurde. Allerdings sind, selbst wenn die Abgas-Rückführungsrate auf diese Art und Weise so eingestellt wird, dass die Menge des produzierten NOx und Rauchs so klein wie möglich wird, der Reduktion der Menge des produzierten NOx und Rauchs Grenzen gesetzt. Das bedeutet in der Praxis, dass weiterhin eine beträchtliche Menge von NOx und Rauch erzeugt wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckten allerdings im Rahmen der Untersuchungen über die Verbrennung in Diesel-Brennkraftmaschinen, dass, wenn die Abgas-Rückführungsrate größer gemacht wird als der maximal zulässige Grenzwert, der Rauch wie vorstehend erklärt stark zunimmt, aber es einen Spitzenwert für die Menge des erzeugten Rauchs gibt, und dass, sobald dieser Spitzenwert überschritten wird, wenn die Abgas-Rückführungsrate weiter erhöht wird, der Rauch beginnt, stark abzunehmen und dass, wenn die Abgas-Rückführungsrate auf mindestens 70 Prozent während des Leerlaufs der Brennkraftmaschine eingestellt wird oder wenn das Rückführungsgas zwangsgekühlt wird und die Abgas-Rückführungsrate auf mindestens ungefähr 55 Prozent eingestellt wird, der Rauch annähernd vollständig verschwindet, das heißt, dass fast kein Ruß mehr produziert wird. Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass die Menge des zu diesem Zeitpunkt erzeugten NOx extrem gering war. Später wurden weitere Untersuchungen auf der Basis dieser Entdeckung durchgeführt, um die Gründe dafür herauszufinden, dass kein Ruß erzeugt wird, und als Ergebnis ein neues Verbrennungssystem konstruiert, das in der Lage ist, gleichzeitig den Ruß und das NOx stärker als zuvor möglich zu reduzieren. Dieses neue Verbrennungssystem wird später im Detail beschrieben, basiert aber kurz gefasst auf der Idee, das Anwachsen von Kohlenwasserstoffen zu Ruß in einer Phase vor dem Anwachsen der Kohlenwasserstoffe zu stoppen.
Das bedeutet, dass in wiederholten Experimenten und Forschungen herausgefunden wurde, dass das Wachstum von Kohlenwasserstoffen zu Ruß in einer Phase stoppt, bevor dies geschieht, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Brennkammer niedriger als eine bestimmte Temperatur ist, und dass die Kohlenwasserstoffe augenblicklich zu Ruß anwachsen, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases höher als eine bestimmte Temperatur wird. In diesem Fall wird die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases stark durch die Wärmeabsorption des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoffs beeinflusst. Durch die Anpassung der Menge der Wärme, die durch das den Kraftstoff umgebende Gas absorbiert wird, entsprechend der Menge der zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoffs erzeugten Wärme ist es möglich, die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases zu steuern. Aus diesem Grund wird, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Brennkammer auf einen Wert begrenzt wird, der niedriger als die Temperatur ist, bei der das Anwachsen der Kohlenwasserstoffe auf halber Strecke stoppt, kein Ruß mehr produziert. Die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Brennkammer kann auf einen Wert begrenzt werden, der niedriger als die Temperatur ist, bei der das Anwachsen der Kohlenwasserstoffe auf halber Strecke stoppt, indem die Menge der Wärme gesteuert wird, die von dem den Kraftstoff umgebenden Gas absorbiert wird. Auf der anderen Seite können die Kohlenwasserstoffe, deren Anwachsen zu Ruß auf halber Strecke gestoppt wurde, leicht durch eine Nachbehandlung unter Verwendung eines Oxidationskatalysators oder dergleichen entfernt werden. Das ist der Grundgedanke hinter diesem neuen Verbrennungssystem.
In diesem neuen Verbrennungssystem muss die Abgas-Rückführungsrate, die erforderlich ist, um den Ruß und das NOx gleichzeitig zu reduzieren, mindestens auf ungefähr 55 Prozent gebracht werden. Die Abgas-Rückführungsrate kann allerdings mindestens auf ungefähr 55 Prozent gebracht werden, wenn die Einlass-Luftmenge relativ gering ist, das heißt, wenn die Brennkraftmaschine mit einer relativ geringen Last betrieben wird. Wenn die Einlass-Luftmenge einen bestimmten Grenzwert überschreitet, ist es nicht mehr möglich, die Einlass-Luftmenge abzusenken, ohne die Abgas-Rückführungsrate zu verringern. In diesem Fall tritt allerdings, wenn die Abgas-Rückführungsrate langsam von 55 Prozent entsprechend der Zunahme der Einlass-Luftmenge reduziert wird, das Problem auf, dass eine große Menge Rauch erzeugt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die in der Lage ist, die Menge von erzeugtem Ruß und NOx extrem zu verringern, wenn die Brennkraftmaschine mit einer geringen Last betrieben wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, bei der eine Menge des erzeugten Rußes langsam zunimmt und dann einen Spitzenwert erreicht, wenn eine Menge des rückgeführten Abgases, das in eine Brennkammer zugeführt wird, zunimmt und bei der eine weitere Zunahme der Menge des rückgeführten Abgases, das in die Brennkammer zugeführt wird, dazu führt, dass die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases in der Brennkammer niedriger als eine Temperatur der Erzeugung von Ruß wird und deshalb fast keine Erzeugung von Ruß mehr erfolgt, wobei diese Brennkraftmaschine folgendes umfasst: eine Schaltvorrichtung zum selektiven Umschalten zwischen einem ersten Brennverfahren, bei dem die Menge des rückgeführten Abgases, das in die Brennkammer zugeführt wird, größer ist als die Menge des rückgeführten Abgases, bei der die Erzeugung von Ruß einen Spitzenwert erreicht, und fast keine Erzeugung von Ruß mehr erfolgt, und einem zweiten Brennverfahren, bei dem die Menge des rückgeführten Abgases, das in die Brennkammer zugeführt wird, kleiner ist als die Menge des rückgeführten Abgases, bei der die Erzeugung von Ruß einen Spitzenwert erreicht; und eine Abgas-Rückführungsraten-Steuervorrichtung für die stufenartig Veränderung der Abgas-Rückführungsrate beim Umschalten vom ersten Brennverfahren auf das zweite Brennverfahren oder vom zweiten Brennverfahren auf das erste Brennverfahren.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die vorliegende Erfindung kann vollständiger anhand der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, für die Folgendes gilt:
1 ist eine Übersicht über eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung;
2 ist eine Darstellung der Menge der Erzeugung von Rauch und NOx;
3A und 3B sind Darstellungen des Verbrennungsdrucks;
4 ist eine Darstellung eines Kraftstoff-Moleküls;
5 ist eine Darstellung des Verhältnisses zwischen der Menge des produzierten Rauchs und der Abgas-Rückführungsrate;
6 ist eine Darstellung des Verhältnisses zwischen der Menge des eingespritzten Kraftstoffs und der Menge des Mischgases;
7 ist eine Darstellung eines ersten Betriebsbereichs I und eines zweiten Betriebsbereichs II;
8 ist eine Darstellung des Ausgangs des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors;
9 ist eine Darstellung des Öffnungsgrads einer Drosselklappe und weiterer Elemente;
10 ist ein Ablaufdiagramm der Steuerung des Brennkraftmaschinen-Betriebs;
11 ist ein Ablaufdiagramm der Steuerung des Brennkraftmaschinen-Betriebs;
12 ist eine Darstellung des Öffnungsgrads einer Drosselklappe und weiterer Elemente;
13 ist eine Darstellung der Menge der Erzeugung von Rauch;
14 ist eine Darstellung des ersten Betriebsbereichs I, eines Teillast-Betriebsbereichs II und eines Volllast-Betriebsbereichs III;
15 ist eine Darstellung des Öffnungsgrads einer Drosselklappe und weiterer Elemente; und
16 und 17 sind Ablaufdiagramme der Steuerung des Brennkraftmaschinen-Betriebs.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
1 ist eine Darstellung der Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung.
In 1 bezeichnet 1 einen Motorblock, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Brennkammer, 6 ein elektrisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil, 7 ein Einlassventil, 8 einen Einlass, 9 ein Auslassventil und 10 einen Auslass. Der Einlass 8 ist über eine entsprechende Einlassleitung 11 an den Druckausgleichsbehälter 12 angeschlossen. Der Druckausgleichsbehälter 12 ist über einen Einlasskanal 13 an einen Luftfilter 14 angeschlossen. Eine Drosselklappe 16, die von einem Elektromotor 15 angetrieben wird, ist im Einlasskanal 13 angeordnet. Andererseits ist der Auslass 10 über einen Abgaskrümmer 17 und eine Abgasleitung 18 an einen Katalysator 20 angeschlossen, der einen Katalysator 19 mit einer Oxidationsfunktion beherbergt. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 21 ist im Abgaskrümmer 17 angeordnet.
Der Abgaskrümmer 17 und der Druckausgleichsbehälter 12 sind miteinander über einen Rückführungskanal 22 verbunden. Ein elektrisch gesteuertes Abgas-Rückführungsventil 23 ist in einem Rückführungskanal 22 angeordnet. Zusätzlich ist eine Kühlvorrichtung 24 zum Kühlen des Rückführungsgases, das durch den Rückführungskanal 22 strömt, um den Rückführungskanal 22 herum vorgesehen. In der in 1 dargestellten Ausführung wird das Kühlwasser der Brennkraftmaschine in die Kühlvorrichtung 24 geleitet, wo das Kühlwasser der Brennkraftmaschine genutzt wird, um das Rückführungsgas zu kühlen.
Andererseits ist jedes Kraftstoffeinspritzventil 6 über eine Kraftstoffzuleitung 25 an den Kraftstoffvorratsbehälter angeschlossen, der ein Common-Rail-Drucktank 26 ist. Kraftstoff wird dem Common-Rail-Drucktank 26 über eine elektrisch gesteuerte verstellbare Kraftstoffpumpe 27 zugeführt. Der dem Common-Rail-Drucktank 26 zugeführte Kraftstoff wird über die einzelnen Kraftstoffzuleitungen 25 den Kraftstoffeinspritzventilen 6 zugeführt. Ein Kraftstoffdrucksensor 28 zur Erkennung des Kraftstoffdrucks im Common-Rail-Drucktank 26 ist am Common-Rail-Drucktank 26 angebracht. Die Fördermenge der Kraftstoffpumpe 27 wird auf der Basis des Ausgangssignals des Kraftstoffdrucksensors 28 so gesteuert, dass der Kraftstoffdruck im Common-Rail-Drucktank 26 der Ziel-Kraftstoffdruck ist.
Das elektronische Steuergerät 30 besteht aus einem digitalen Computer und ist mit einem Festspeicher ROM 32, einem Arbeitsspeicher RAM 33, einem Mikroprozessor CPU 34, einem Signaleingang 35 und einem Signalausgang 36 ausgestattet, die miteinander über einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind. Das Ausgangssignal des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 wird über einen entsprechenden Analog-Digital-Wandler 37 in den Signaleingang 35 eingegeben. Zusätzlich wird das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 28 über einen entsprechenden Analog-Digital-Wandler 37 in den Signaleingang 35 eingegeben. An das Fahrpedal 40 ist ein Lastsensor 41 angeschlossen, der eine Ausgangsspannung proportional zum Niederdrückgrad L des Fahrpedals 40 erzeugt. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über einen entsprechenden Analog-Digital-Wandler 37 in den Signaleingang 35 eingegeben. Darüber hinaus ist an den Signaleingang 35 ein Kurbelwellenwinkelsensor 42 angeschlossen, der bei jeder Rotation der Kurbelwelle um beispielsweise 30° einen Ausgangsimpuls erzeugt. Andererseits sind an den Signalausgang 36 über einen entsprechenden Treiberkreis 38 das Kraftstoffeinspritzventil 6, der Elektromotor 15, das Abgas-Rückführungsventil 23 und die Kraftstoffpumpe 27 angeschlossen.
2 zeigt ein Beispiel für ein Experiment, das die Veränderungen des Ausgangsdrehmoments und die Veränderungen der ausgestoßenen Mengen von Rauch, Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und NOx bei Veränderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F (aufgetragen an der Abszisse in 2) durch Veränderung des Öffnungsgrads der Drosselklappe 16 und der Abgas-Rückführungsrate zum Zeitpunkt eines Niedriglastbetriebs der Brennkraftmaschine zeigt. Wie aus 2 zu erkennen ist, wird in diesem Experiment die Abgas-Rückführungsrate umso größer, je kleiner das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F ist. Wenn es unter dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (≈ 14,6) liegt, beträgt die Abgas-Rückführungsrate mehr als 65 Prozent.
Wie in 2 dargestellt ist, beginnt, wenn die Abgas-Rückführungsrate erhöht wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F zu reduzieren, wenn die Abgas-Rückführungsrate in der Nähe von 40 Prozent liegt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F 30 Grad wird, die Menge des erzeugten Rauchs größer zu werden. Anschließend daran steigt, wenn die Abgas-Rückführungsrate weiter angehoben und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F reduziert wird, die Menge des erzeugten Rauchs stark an und erreicht einen Spitzenwert. Anschließend daran fällt, wenn die Abgas-Rückführungsrate weiter angehoben und das Luft-Kraftstoff- Verhältnis A/F reduziert wird, die Menge des erzeugten Rauchs stark ab. Wenn die Abgas-Rückführungsrate auf mehr als 65 Prozent gebracht und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F in die Nähe von 15,0 gebracht wird, wird die Menge des erzeugten Rauchs im Wesentlichen gleich Null. Das bedeutet, dass annähernd kein Ruß mehr erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt fällt das Drehmoment der Brennkraftmaschine etwas ab und die Menge des erzeugten NOx wird deutlich geringer. Andererseits beginnen zu diesem Zeitpunkt die erzeugten Mengen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zuzunehmen.
3A zeigt die Veränderungen des Verbrennungsdrucks in der Brennkammer 5, wenn die Menge des erzeugten Rauchs in der Nähe eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F von 21 am größten ist. 3B zeigt die Veränderungen des Verbrennungsdrucks in der Brennkammer 5, wenn die Menge des erzeugten Rauchs in der Nähe eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F von 18 annähernd gleich Null ist. Wie bei einem Vergleich der 3A mit der 3B deutlich wird, ist der Verbrennungsdruck in dem in 3B gezeigten Fall niedriger, bei dem die Menge des erzeugten Rauchs annähernd gleich Null ist, als in dem in 3A gezeigten Fall, bei dem die Menge des erzeugten Rauchs groß ist.
Auf der Basis der Experimente, deren Ergebnisse in der 2 und den 3A und 3B dargestellt sind, können folgende Aussagen getroffen werden: Erstens fällt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F weniger als 15,0 beträgt und die Menge des erzeugten Rauchs im Wesentlichen gleich Null ist, die Menge des erzeugten NOx deutlich ab, wie dargestellt in 2. Die Tatsache, dass die Menge des erzeugten NOx abfällt, bedeutet, dass die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 sinkt. Deshalb kann ausgesagt werden, dass, wenn annähernd kein Ruß produziert wird, die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 niedriger wird. Die gleiche Aussage kann auch anhand der 3A und 3B gemacht werden. Das bedeutet, dass in dem in 3B gezeigten Zustand, bei dem annähernd kein Ruß erzeugt wird, der Verbrennungsdruck kleiner wird und aus diesem Grund die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 in diesem Moment geringer wird.
Als Zweites kann gesagt werden, dass, wenn die Menge des erzeugten Rauchs, das heißt die Menge des erzeugten Rußes, im Wesentlichen gleich Null wird, wie in 2 gezeigt, die ausgestoßenen Mengen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid ansteigen. Das bedeutet, dass die Kohlenwasserstoffe ausgestoßen werden, ohne zu Ruß anzuwachsen. Das bedeutet, dass sich die geradkettigen Kohlenwasserstoffe und aromatischen Kohlenwasserstoffe, die im Kraftstoff enthalten und in 4 dargestellt sind, zersetzen, wenn ihre Temperatur in einem sauerstoffarmen Zustand angehoben wird, was zur Bildung eines Rußvorläufers führt. Anschließend wird Ruß erzeugt, der hauptsächlich aus soliden Massen von Kohlenstoffatomen besteht. In diesem Fall ist der tatsächliche Prozess der Bildung von Ruß kompliziert. Wie der Rußvorläufer gebildet wird, ist nicht klar, aber ungeachtet der genauen Art und Weise wachsen die in 4 dargestellten Kohlenwasserstoffe über den Rußvorläufer zu Ruß an. Aus diesem Grund steigen, wie vorstehend erklärt, wenn die Menge des erzeugten Rußes im Wesentlichen gleich Null wird, die ausgestoßenen Mengen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid wie in 2 gezeigt an, aber die Kohlenwasserstoffe stellen in diesem Fall einen Rußvorläufer oder einen Zustand von Kohlenwasserstoffen vor diesem dar.
Zusammenfassend ergeben diese Überlegungen auf der Basis der Ergebnisse der in 2 und den 3A und 3B gezeigten Experimente, dass, wenn die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 niedrig ist, die Menge des erzeugten Rußes im Wesentlichen gleich Null wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Rußvorläufer oder ein Zustand von Kohlenwasserstoffen vor diesem aus der Brennkammer 5 ausgestoßen. Zu diesem Punkt wurden detailliertere Experimente und Untersuchungen durchgeführt. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass, wenn die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in der Brennkammer 5 niedriger als eine bestimmte Temperatur sind, der Vorgang der Erzeugung von Ruß auf halbem Wege gestoppt wird, das heißt, dass überhaupt kein Ruß produziert wird, und dass, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in der Brennkammer 5 über eine bestimmte Temperatur ansteigt, Ruß erzeugt wird.
Die Temperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung bei einem Stoppen des Vorgangs der Erzeugung von Kohlenwasserstoffen im Zustand des Rußvorläufers, das heißt die vorstehend genannte bestimmte Temperatur, ändert sich abhängig von verschiedenen Faktoren wie der Kraftstoffart, dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem Kompressionsverhältnis, so dass keine Gradzahl angegeben werden kann, aber diese bestimmte Temperatur hängt eng mit der Menge der Erzeugung von NOx zusammen. Aus diesem Grund kann diese bestimmte Temperatur als eine bestimmte Gradzahl über die Menge der Erzeugung von NOx definiert werden. Das bedeutet, dass, je größer die Abgas-Rückführungsrate ist, umso niedriger die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung ist und umso geringer die Menge des erzeugten NOx ist. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Menge des erzeugten NOx ungefähr 10 ppm oder weniger wird, wird annähernd kein Ruß mehr erzeugt. Aus diesem Grund stimmt die vorstehend genannte bestimmte Temperatur im Wesentlichen mit der Temperatur überein, bei der die Menge des erzeugten NOx 10 ppm oder weniger wird.
Sobald Ruß erzeugt worden ist, ist es unmöglich, ihn durch eine Nachbehandlung unter Verwendung eines Oxidationskatalysators oder dergleichen zu entfernen. Im Gegensatz dazu kann ein Rußvorläufer oder ein Zustand von Kohlenwasserstoffen vor diesem leicht durch eine Nachbehandlung unter Verwendung eines Oxidationskatalysators oder dergleichen entfernt werden. Hinsichtlich einer Nachbehandlung durch einen Oxidationskatalysator oder dergleichen besteht ein extrem großer Unterschied zwischen dem Ausstoß von Kohlenwasserstoffen aus der Brennkammer 5 als Rußvorläufer oder einem Zustand vor diesem und dem Ausstoß von Kohlenwasserstoffen aus der Brennkammer 5 in Form von Ruß. Das neue Verbrennungssystem, das in der vorliegenden Erfindung genutzt wird, basiert auf der Idee des Ausstoßes von Kohlenwasserstoffen aus der Brennkammer 5 in der Form eines Rußvorläufers oder eines Zustands vor diesem, ohne dass die Erzeugung von Ruß in der Brennkammer 5 zugelassen wird, und der Veranlassung der Oxidation der Kohlenwasserstoffe durch einen Oxidationskatalysator oder dergleichen.
Um das Anwachsen der Kohlenwasserstoffe im Zustand vor der Erzeugung von Ruß zu stoppen, ist es erforderlich, die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Brennkammer 5 auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur zu begrenzen, bei der Ruß erzeugt wird. In diesem Fall wurde herausgefunden, dass die Wärme absorbierende Wirkung des Gases um den Kraftstoff herum zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoffs einen extrem großen Einfluss auf die Begrenzung der Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases hat.
Das bedeutet, dass, wenn nur Luft um den Kraftstoff herum ist, der vergaste Kraftstoff sofort mit dem Sauerstoff aus der Luft reagiert und verbrennt. In diesem Fall steigt die Temperatur der Luft in einer gewissen Entfernung vom Kraftstoff nicht so stark an. Nur die Temperatur um den Kraftstoff herum wird örtlich extrem hoch. Das bedeutet, dass zu diesem Zeitpunkt die Luft in einer gewissen Entfernung vom Kraftstoff die Verbrennungswärme des Kraftstoffs nicht sehr absorbiert. In diesem Fall erzeugen, da die Verbrennungstemperatur örtlich extrem hoch wird, die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, welche die Verbrennungswärme aufnehmen, Ruß.
Andererseits ist, wenn Kraftstoff in einem Mischgas mit einer großen Menge von Inertgas und einer geringen Menge von Luft vorhanden ist, die Situation etwas anders. In diesem Fall verteilt sich der vergaste Kraftstoff in der Umgebung und reagiert mit dem Sauerstoff, der mit dem Inertgas vermischt ist, um zu verbrennen. In diesem Fall wird die Verbrennungswärme durch das umgebende Inertgas absorbiert, so dass die Verbrennungstemperatur nicht mehr so stark ansteigt. Das bedeutet, dass es möglich wird, die Verbrennungstemperatur niedrig zu halten. Das bedeutet, dass die Anwesenheit von Inertgas eine bedeutende Rolle bei der Begrenzung der Verbrennungstemperatur spielt. Es ist möglich, die Verbrennungstemperatur durch die Wärme absorbierende Wirkung des Inertgases niedrig zu halten.
In diesem Fall ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur zu begrenzen, bei der Ruß erzeugt wird, eine Menge Inertgas erforderlich, die ausreicht, um eine Menge Wärme zu absorbieren, die genügt, um die Temperatur abzusenken. Aus diesem Grund steigt, wenn die Menge des Kraftstoffs erhöht wird, auch die Menge des erforderlichen Inertgases gleichermaßen an. Dabei ist zu beachten, dass in diesem Fall gilt, dass, je größer die spezifische Wärme des Inertgases ist, umso größer die Wärme absorbierende Wirkung ist. Aus diesem Grund ist das Inertgas vorzugsweise ein Gas mit einer hohen spezifischen Wärme. In dieser Hinsicht kann festgestellt werden, dass, da Kohlendioxid und Rückführungsgas relativ hohe spezifische Wärmen aufweisen, die Nutzung von Rückführungsgas als Inertgas vorteilhaft ist.
5 zeigt das Verhältnis zwischen der Abgas- Rückführungsrate und Rauch bei Nutzung des Rückführungsgases als Inertgas und bei Veränderung des Grads der Kühlung des Rückführungsgases. Das heißt, dass in 5 die Kurve A den Fall darstellt, dass das Rückführungsgas zwangsgekühlt und die Temperatur des Rückführungsgases bei ungefähr 90° gehalten wird, die Kurve B den Fall darstellt, dass das Rückführungsgas durch eine kompakte Kühlvorrichtung gekühlt wird, und die Kurve C den Fall darstellt, dass das Rückführungsgas nicht zwangsgekühlt wird.
Wenn das Rückführungsgas zwangsgekühlt wird, erreicht, wie durch die Kurve A in 5 gezeigt, die Menge des erzeugten Rußes einen Spitzenwert, wenn die Abgas-Rückführungsrate etwas niedriger als 50 Prozent wird. In diesem Fall wird, wenn die Abgas-Rückführungsrate ungefähr 55 Prozent oder mehr beträgt, annähernd kein Ruß mehr erzeugt.
Andererseits erreicht, wenn das Rückführungsgas leicht gekühlt wird, wie durch die Kurve B in 5 gezeigt, die Menge des erzeugten Rußes einen Spitzenwert, wenn die Abgas-Rückführungsrate etwas höher als 50 Prozent wird. In diesem Fall wird, wenn die Abgas-Rückführungsrate mehr als ungefähr 65 Prozent beträgt, annähernd kein Ruß mehr erzeugt. Darüber hinaus erreicht, wenn das Rückführungsgas nicht zwangsgekühlt wird, wie durch die Kurve C in 5 gezeigt, die Menge des erzeugten Rußes in der Nähe einer Abgas-Rückführungsrate in der Nähe von 55 Prozent einen Spitzenwert. In diesem Fall wird, wenn die Abgas-Rückführungsrate mehr als ungefähr 70 Prozent beträgt, annähernd kein Ruß mehr erzeugt.
Es ist zu beachten, dass die 5 die Menge des Rauchs darstellt, die erzeugt wird, wenn die Last der Brennkraftmaschine relativ hoch ist. Wenn die Last der Brennkraftmaschine kleiner wird, fällt die Abgas-Rückführungsrate, bei der die Menge des erzeugten Rußes einen Spitzenwert erreicht, etwas ab, und die Untergrenze der Abgas-Rückführungsrate, bei der annähernd kein Ruß mehr erzeugt wird, fällt etwas ab. Auf diese Art und Weise verändert sich die Untergrenze der Abgas-Rückführungsrate, bei der annähernd kein Ruß mehr erzeugt wird, entsprechend des Grads der Kühlung des Rückführungsgases oder der Last der Brennkraftmaschine.
6 zeigt die Menge des Mischgases aus Rückführungsgas und Luft, den Anteil der Luft im Mischgas und den Anteil des Rückführungsgases im Mischgas, die erforderlich sind, um die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung auf eine Temperatur zu bringen, die unter der Temperatur liegt, bei der Ruß produziert wird, wenn Rückführungsgas als Inertgas genutzt wird. Dabei ist zu beachten, dass in 6 die Ordinate die Gesamtmenge des in die Brennkammer 5 eingelassenen Ansauggases zeigt. Die unterbrochene Linie Y zeigt die Gesamtmenge des Ansauggases, die in die Brennkammer 5 eingelassen werden kann, wenn keine Aufladung erfolgt. Zusätzlich zeigt die Abszisse die angeforderte Last. Z1 zeigt den Niedriglast-Betriebsbereich.
In 6 zeigt der Luftanteil, das heißt der Anteil der Luft im Mischgas, den Anteil der Luft, der erforderlich ist, um den eingespritzten Kraftstoff zur vollständigen Verbrennung zu bringen. Das bedeutet in dem in 6 gezeigten Fall, dass das Verhältnis der Luftmenge zur Menge des eingespritzten Kraftstoffs das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Andererseits ist in 6 der Anteil des Rückführungsgases, das heißt der Anteil des Rückführungsgases im Mischgas, der Mindestanteil des Rückführungsgases, der erforderlich ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases auf eine Temperatur zu bringen, die unter der Temperatur liegt, bei der Ruß produziert wird. Dieser Anteil des Rückführungsgases beträgt ausgedrückt als Abgas-Rückführungsrate mindestens ungefähr 55 Prozent und in der Ausführung, die in 6 dargestellt ist, mindestens 70 Prozent. Das bedeutet, dass, wenn die Gesamtmenge des in die Brennkammer 5 eingelassenen Ansauggases auf die durchgezogene Linie X in 6 und das Verhältnis der Luftmenge zur Menge des Rückführungsgases in der Gesamtmenge des Ansauggases X auf das in 6 gezeigte Verhältnis gebracht wird, die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zu einer Temperatur wird, die unter der Temperatur liegt, bei der Ruß produziert wird und deshalb überhaupt kein Ruß mehr erzeugt wird. Darüber hinaus beträgt die Menge des erzeugten NOx zu diesem Zeitpunkt ungefähr 10 ppm oder weniger und dadurch wird die Menge des erzeugten NOx extrem gering.
Wenn die Menge des eingespritzten Kraftstoffs zunimmt, steigt die Menge der zum Zeitpunkt der Verbrennung erzeugten Wärme an, so dass, um die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases auf einer Temperatur zu halten, die unter der Temperatur liegt, bei der Ruß produziert wird, die Menge der durch das Rückführungsgas absorbierten Wärme erhöht werden muss. Aus diesem Grund muss, wie in 6 gezeigt, die Menge des Rückführungsgases umso mehr erhöht werden, je größer die Menge des eingespritzten Kraftstoffs ist. Das bedeutet, dass die Menge des Rückführungsgases erhöht werden muss, wenn die angeforderte Last höher wird.
Andererseits übersteigt im Lastbereich Z2 aus 6 die zur Verhinderung der Erzeugung von Ruß erforderliche Gesamtmenge des Ansauggases X die Gesamtmenge Y des Ansauggases, die eingelassen werden kann. Aus diesem Grund ist es in diesem Fall erforderlich, um die zur Verhinderung der Erzeugung von Ruß erforderliche Gesamtmenge des Ansauggases X der Brennkammer 5 zuzuführen, sowohl das Rückführungsgas als auch das Ansauggas oder das Rückführungsgas mit Druck zu beaufschlagen (aufzuladen) oder zu komprimieren. Wenn das Rückführungsgas und dergleichen im Lastbereich Z2 nicht mit Druck beaufschlagt (aufgeladen) oder komprimiert wird, entspricht die Gesamtmenge des Ansauggases X der Gesamtmenge Y des Ansauggases, die eingelassen werden kann. Aus diesem Grund wird in diesem Fall, um die Erzeugung von Ruß zu verhindern, die Menge der Luft etwas verringert, um die Menge des Rückführungsgases zu erhöhen, und der Kraftstoff dazu gebracht, in einem Zustand mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu verbrennen.
Wie vorstehend erklärt, zeigt 6 den Fall einer Verbrennung von Kraftstoff mit dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Im Niedriglastbetriebsbereich Z1 aus 6 ist es möglich, selbst wenn die Luftmenge kleiner als die in 6 gezeigte Luftmenge gemacht wird, das bedeutet, selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett gemacht wird, die Erzeugung von Ruß zu hemmen und die Menge des erzeugten NOx auf 10 ppm oder weniger zu bekommen. Darüber hinaus ist es im Niedriglastbetriebsbereich Z1 aus 6 möglich, selbst wenn die Luftmenge größer als die in 6 gezeigte Luftmenge gemacht wird, das bedeutet, dass der Durchschnittswert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei mageren 17 oder 18 liegt, die Erzeugung von Ruß zu hemmen und die Menge des erzeugten NOx auf 10 ppm oder weniger zu bekommen.
Das bedeutet, dass der Kraftstoff, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett gemacht wird, im Überschuss vorhanden ist, aber da die Kraftstofftemperatur auf eine niedrige Temperatur begrenzt ist, der überschüssige Kraftstoff nicht zu Ruß wächst, weshalb kein Ruß erzeugt wird. Darüber hinaus wird zu diesem Zeitpunkt nur eine extrem geringe Menge NOx erzeugt. Andererseits wird, wenn das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, eine geringe Menge Ruß erzeugt, wenn die Verbrennungstemperatur höher wird, aber in der vorliegenden Erfindung ist die Verbrennungstemperatur auf eine niedrige Temperatur begrenzt, so dass überhaupt kein Ruß erzeugt wird. Darüber hinaus wird nur eine extrem geringe Menge NOx erzeugt.
Auf diese Art und Weise wird im Niedriglastbetriebsbereich Z1 unabhängig vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das heißt unabhängig davon, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist oder das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist oder das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, kein Ruß erzeugt und die Menge des erzeugten NOx wird extrem gering. Aus diesem Grund kann in Hinblick auf die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs gesagt werden, dass es vorteilhaft ist, das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager zu machen.
Um den Ruß und das NOx in dem in der vorliegenden Erfindung genutzten neuen Verbrennungssystem gleichzeitig zu reduzieren, ist es allerdings notwendig, die Abgas-Rückführungsrate auf mindestens ungefähr 55 Prozent zu bringen. Die Abgas-Rückführungsrate kann allerdings nur auf mehr als ungefähr 55 Prozent gebracht werden, wenn die Einlass-Luftmenge relativ gering ist, das heißt, wenn die Last der Brennkraftmaschine relativ gering ist. Wenn die Einlass-Luftmenge einen bestimmten Grenzwert überschreitet, das heißt, wenn die Last der Brennkraftmaschine höher als ein bestimmter Grenzwert wird, ist es nicht mehr möglich, die Einlass-Luftmenge zu erhöhen, ohne die Abgas-Rückführungsrate zu verringern. In diesem Fall wird allerdings, im Beispiel des in 2 dargestellten Experiments, wenn die Abgas-Rückführungsrate langsam von 65 Prozent entsprechend der Zunahme der Einlass-Luftmenge, das heißt entsprechend der Zunahme der Last der Brennkraftmaschine, reduziert wird, das heißt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend der Zunahme der angeforderten Last erhöht wird, eine große Menge Rauch erzeugt. Aus diesem Grund ist es, wenn die angeforderte Last eine bestimmte Grenze übersteigt, nicht möglich, die Abgas-Rückführungsrate von ungefähr 65 Prozent langsam zu verringern oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend der Zunahme der angeforderten Last langsam zu erhöhen.
In diesem Fall ist es, um die Erzeugung einer großen Menge von Rauch zu verhindern, wenn die angeforderte Last die bestimmte Grenze übersteigt, erforderlich, den Bereich der Abgas-Rückführungsrate zwischen ungefähr 40 Prozent und ungefähr 65 Prozent zu überspringen, in welchem die große Menge Rauch erzeugt wird. Aus diesem Grund wird bei der vorliegenden Erfindung, wenn die angeforderte Last gering ist, die Abgas-Rückführungsrate auf mindestens ungefähr 55 Prozent gehalten, während, wenn die angeforderte Last höher wird und es nicht mehr möglich ist, die Abgas-Rückführungsrate auf mindestens ungefähr 55 Prozent zu halten, die Abgas-Rückführungsrate stufenartig auf unter ungefähr 50 Prozent reduziert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ebenfalls stufenartig größer.
Wenn die Abgas-Rückführungsrate mindestens ungefähr 55 Prozent beträgt, wird, wie vorstehend beschrieben, die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zu einer Temperatur, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der Ruß erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein erstes Brennverfahren, das heißt eine Niedertemperaturverbrennung, durchgeführt. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Abgas-Rückführungsrate auf unter ungefähr 50 Prozent gesenkt wird, die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases höher als die Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt kann natürlich das erste Brennverfahren, das heißt die Niedertemperaturverbrennung, nicht durchgeführt werden. In der erfindungsgemäßen Ausführung wird, wenn die Niedertemperaturverbrennung auf diese Art nicht durchgeführt werden kann, ein zweites Brennverfahren durchgeführt, das heißt die konventionell durchgeführte Verbrennung. Dabei ist zu beachten, dass das erste Brennverfahren, das heißt die Niedertemperaturverbrennung wie aus der Erklärung bis hierher zu verstehen, ein Brennverfahren bezeichnet, bei dem der Anteil von Inertgas in der Brennkammer größer ist als der Anteil von Inertgas, bei dem die Erzeugung von Ruß einen Spitzenwert erreicht, und bei dem annähernd kein Ruß erzeugt wird, während das zweite Brennverfahren, das heißt die konventionelle normalerweise durchgeführte Verbrennung, ein Brennverfahren bezeichnet, bei dem der Anteil von Inertgas in der Brennkammer kleiner ist als der Anteil von Inertgas, bei dem die Erzeugung von Ruß einen Spitzenwert erreicht.
7 zeigt einen ersten Betriebsbereich I, in dem das erste Brennverfahren, das heißt die Niedertemperaturverbrennung, bei dem die Abgas-Rückführungsrate auf mindestens ungefähr 55 Prozent gebracht wird, durchgeführt wird, und einen zweiten Betriebsbereich II, in dem das zweite Brennverfahren, das heißt die Verbrennung nach dem konventionellen Brennverfahren, bei dem die Abgas-Rückführungsrate auf unter ungefähr 50 Prozent gebracht wird, durchgeführt wird. Dabei ist zu beachten, dass in 7 die Abszisse L den Niederdrückgrad L des Fahrpedals 40, das heißt die angeforderte Last, und die Ordinate N die Brennkraftmaschinen-Drehzahl zeigt. Darüber hinaus zeigt in 7 X(N) eine erste Grenze zwischen dem ersten Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II und Y(N) eine zweite Grenze zwischen dem ersten Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II. Der Wechsel des Betriebsbereichs vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II wird auf der Basis der ersten Grenze X(N) entschieden, während der Wechsel des Betriebsbereichs vom zweiten Betriebsbereich II zum ersten Betriebsbereich I auf der Basis der zweiten Grenze Y(N) entschieden wird.
Das heißt, dass, wenn im ersten Betriebsbereich I der Brennkraftmaschine das erste Brennverfahren, das heißt die Niedertemperaturverbrennung, durchgeführt wird, wenn die angeforderte Last L die erste Grenze X(N) übersteigt, die eine Funktion der Brennkraftmaschinen-Drehzahl N ist, bestimmt wird, dass der Betriebsbereich auf den zweiten Betriebsbereich II übergegangen ist und auf das zweite Brennverfahren umgeschaltet wird. Wenn dann die angeforderte Last L unter die zweite Grenze Y(N) fällt, die eine Funktion der Brennkraftmaschinen-Drehzahl N ist, wird bestimmt, dass der Betriebsbereich auf den ersten Betriebsbereich I übergegangen ist und das zweite Brennverfahren wird auf das erste Brennverfahren umgeschaltet.
Es sind dabei aus folgenden Gründen zwei Grenzen vorgesehen, das heißt die erste Grenze X(N) und die zweite Grenze Y(N) an der Teillastseite der ersten Grenze X(N). Der erste Grund besteht darin, dass auf der Volllastseite des zweiten Betriebsbereichs II die Verbrennungstemperatur relativ hoch ist und zu diesem Zeitpunkt, auch wenn die angeforderte Last L unter die erste Grenze X(N) fällt, nicht sofort die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden kann. Das bedeutet, dass die Niedertemperaturverbrennung nicht sofort gestartet werden kann, sondern erst, wenn die angeforderte Last L deutlich abfällt, das heißt, wenn sie unter der zweiten Grenze Y(N) liegt. Der zweite Grund besteht darin, dass eine Hysterese hinsichtlich der Änderung der Betriebsbereiche zwischen den erstem Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II erreicht werden soll.
Wenn die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, wenn die Brennkraftmaschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet, wird annähernd kein Ruß erzeugt, sondern statt dessen werden die unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus der Brennkammer 5 in Form eines Rußvorläufers oder eines Zustands vor diesem ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt können die aus der Brennkammer 5 ausgestoßenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe durch den Katalysator 19, der eine Oxidationsfunktion hat, gut oxidiert werden.
Als Katalysator 19 kann ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator oder ein NOx-Absorbierer verwendet werden. Ein NOx-Absorbierer hat die Funktion, das NOx zu absorbieren, wenn das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 mager ist, und das NOx freizusetzen, wenn das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 fett wird.
Der NOx-Absorbierer besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid als Träger und auf dem Träger ist beispielsweise mindestens einer der Stoffe Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs oder andere alkalische Metalle, Barium Ba, Kalzium Ca oder andere alkalische Erden, Lanthan La, Yttrium Y oder andere seltene Erden und zusätzlich Platin Pt oder ein anderes Edelmetall aufgebracht.
Der Oxidationskatalysator natürlich und auch der Dreiwegekatalysator und der NOx-Rbsorbierer haben eine Oxidationsfunktion, weshalb der Dreiwegekatalysator und der NOx-Absorbierer wie vorstehend erklärt als Katalysator 19 verwendet werden können.
8 ist eine Darstellung des Ausgangs des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21. Wie in 8 gezeigt, verändert sich der Ausgangsstrom I des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 entsprechend dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F. Aus diesem Grund ist es möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F aus dem Ausgangsstrom I des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 zu bestimmen.
Als Nächstes wird ein spezifisches Beispiel für die Steuerung des Betriebs im ersten Betriebsbereich I und im zweiten Betriebsbereich II unter Verweis auf 9 beschrieben.
9 zeigt die Öffnungsgrade der Drosselklappe 16, den Öffnungsgrad des Abgas-Rückführungsventils 23, die Abgas-Rückführungsrate, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die Einspritzzeitsteuerung und die Einspritzmenge in Abhängigkeit von der angeforderten Last L. Wie in 9 dargestellt, wird im ersten Betriebsbereich I mit der geringen angeforderten Last L der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 langsam vom vollständig geschlossenen bis zum halb geöffneten Zustand vergrößert, wenn die angeforderte Last L größer wird, während der Öffnungsgrad des Abgas-Rückführungsventils 23 langsam vom vollständig geschlossenen bis zum vollständig geöffneten Zustand vergrößert wird, wenn die angeforderte Last L größer wird. Darüber hinaus wird in dem in 9 dargestellten spezifischen Beispiel im ersten Betriebsbereich I die Abgas-Rückführungsrate auf ungefähr 70 Prozent gebracht und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis von ungefähr 15 bis 18 gebracht.
Das bedeutet in anderen Worten, dass im ersten Betriebsbereich der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 und der Öffnungsgrad des Abgas-Rückführungsventils 23 so gesteuert werden, dass die Abgas-Rückführungsrate ungefähr 70 Prozent und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ungefähr 15 bis 18 wird. Dabei ist zu beachten, dass zu diesem Zeitpunkt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Korrektur des Öffnungsgrads der Drosselklappe 16, des Öffnungsgrads des Abgas-Rückführungsventils 23 oder die Menge des eingespritzten Kraftstoffs auf der Basis des Ausgangssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 gesteuert wird. Darüber hinaus wird der Kraftstoff im ersten Betriebsbereich I vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs eingespritzt. In diesem Fall wird der Einspritzanfangszeitpunkt θS umso weiter in Richtung spät verschoben, je höher die angeforderte Last L ist. Auch der Einspritzendzeitpunkt θE liegt umso später, je später der Einspritzanfangszeitpunkt θS liegt.
Wie vorstehend beschrieben wird im Leerlaufbetrieb die Drosselklappe 16 bis dicht an den vollständig geschlossenen Zustand geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wird auch das Abgasrückführungsventil 23 bis dicht an den vollständig geschlossenen Zustand geschlossen. Wenn die Drosselklappe 16 bis dicht an den vollständig geschlossenen Zustand geschlossen wird, wird der Druck in der Brennkammer 5 zu Beginn der Kompression niedrig, so dass der Kompressionsdruck niedrig wird. Wenn der Kompressionsdruck niedrig wird, wird die Menge der Kompressionsarbeit des Kolbens 4 klein, wodurch die Vibration des Motorblocks 1 geringer wird. Das bedeutet, dass im Leerlaufbetrieb die Drosselklappe 16 bis dicht an den vollständig geschlossenen Zustand geschlossen werden kann, um Vibrationen im Motorblock 1 zu begrenzen.
Wenn die Brennkraftmaschine im ersten Betriebsbereich I betrieben wird, wird annähernd kein Ruß und NOx erzeugt und Kohlenwasserstoffe in Form eines Rußvorläufers oder eines Zustands vor diesem, die im Abgas enthalten sind, können durch den Katalysator 19 oxidiert werden.
Andererseits wird, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine vom ersten Betriebsbereich I auf den zweiten Betriebsbereich II geändert wird, der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 stufenartig vom halb geöffneten Zustand bis zum vollständig geöffneten Zustand vergrößert. Zu diesem Zeitpunkt wird in dem in 9 dargestellten Beispiel die Abgas-Rückführungsrate stufenartig von ungefähr 70 Prozent auf weniger als 40 Prozent verkleinert und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stufenartig erhöht. Das bedeutet, dass die Abgas-Rückführungsrate den Bereich der Abgas-Rückführungsraten, bei denen eine große Menge Rauch erzeugt wird, überspringt, so dass nicht länger eine große Menge Rauch erzeugt wird, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine vom ersten Betriebsbereich I auf den zweiten Betriebsbereich II geändert wird.
Im zweiten Betriebsbereich II wird das zweite Brennverfahren, das heißt das konventionell durchgeführte normale Brennverfahren, durchgeführt. Bei diesem Brennverfahren wird etwas Ruß und NOx erzeugt, aber die Wärmeeffizienz ist größer als bei der Niedertemperaturverbrennung, so dass, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine vom ersten Betriebsbereich I auf den zweiten Betriebsbereich II geändert wird, die Einspritzmenge stufenartig wie in 9 dargestellt reduziert wird.
Im zweiten Betriebsbereich II wird die Drosselklappe 16 in vollständig geöffnetem Zustand gehalten und der Öffnungsgrad des Abgas-Rückführungsventils 23 wird umso kleiner gemacht, je größer die angeforderte Last L wird. Dadurch wird die Abgas-Rückführungsrate umso kleiner, je größer die angeforderte Last wird, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird umso höher, je größer die angeforderte Last L wird. Auch wenn die angeforderte Last L groß wird, bleibt allerdings das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Darüber hinaus wird im zweiten Betriebsbereich II der Einspritzanfangszeitpunkt θS in die Nähe des oberen Totpunkts des Kompressionshubs gebracht.
Als Nächstes wird die Steuerung des Betriebs unter Verweis auf 10 erklärt. Gemäß 10 wird zuerst in Schritt 100 festgestellt, ob eine Markierung I, die anzeigt, dass der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine der erste Betriebsbereich I ist, gesetzt worden ist oder nicht. Wenn die Markierung I gesetzt worden ist, das heißt, wenn der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine der erste Betriebsbereich I ist, geht die Routine weiter zu Schritt 101, in dem festgestellt wird, ob die angeforderte Last L größer als die Grenze X(N), dargestellt in 7, geworden ist oder nicht.
Wenn L ≤ X(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 102, in dem der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf den Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im Betriebsbereich I in 9, gebracht wird. Als Nächstes wird in Schritt 103 der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 auf den Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im ersten Betriebsbereich I in 9, gebracht. Als Nächstes wird in Schritt 104 die Einspritzmenge, der Einspritzanfangszeitpunkt θS und der Einspritzendzeitpunkt θE entsprechend der angeforderten Last L und dergleichen, dargestellt im ersten Betriebsbereich I in 9, bestimmt und der Kraftstoff auf der Basis dieser Bestimmungen eingespritzt.
Andererseits geht, wenn in Schritt 101 festgestellt wird, dass L > X(N) ist, die Routine weiter zu Schritt 105, in dem die Markierung I zurückgesetzt wird. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 107, in dem der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf einen Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L im zweiten Betriebsbereich II, dargestellt in 9, gebracht wird. Das heißt, dass die Drosselklappe 16 vollständig geöffnet wird. Als Nächstes wird in Schritt 108 der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 auf den Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im zweiten Betriebsbereich II in 9, gebracht. Als Nächstes wird in Schritt 109 die Einspritzmenge, der Einspritzanfangszeitpunkt θS und der Einspritzendzeitpunkt θE entsprechend der angeforderten Last L und dergleichen, dargestellt im zweiten Betriebsbereich II in 9, bestimmt und der Kraftstoff auf der Basis dieser Bestimmungen eingespritzt.
Andererseits geht, wenn in Schritt 100 festgestellt wird, dass die Markierung I zurückgesetzt worden ist, das heißt, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine der zweite Betriebsbereich II ist, die Routine weiter zu Schritt 106, in dem festgestellt wird, ob die angeforderte Last L kleiner als die zweite Grenze Y(N), dargestellt in 7, geworden ist oder nicht. Wenn L ≥ Y(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 107. Im Gegensatz dazu geht, wenn L < Y(N) ist, die Routine weiter zu Schritt 110, in dem die Markierung I gesetzt wird, und dann weiter zu Schritt 102.
Wie vorstehend erklärt, ist allerdings auf der Volllastseite des zweiten Betriebsbereichs II die Verbrennungstemperatur relativ hoch und aus diesem Grund kann, auch wenn die angeforderte Last L unter die erste Grenze X(N) fällt, solange sie höher als die zweite Grenze Y(N) ist, nicht sofort die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden. Wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine mindestens für eine bestimmte Zeitdauer zwischen der ersten Grenze X(N) und der zweiten Grenze Y(N) liegt, wird auch die Temperatur in der Brennkammer 5 niedriger, weshalb dann die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden kann. Aus diesem Grund wird in der zweiten erfindungsgemäßen Ausführung, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine der zweite Betriebsbereich II ist und mindestens für eine bestimmte Zeitdauer zwischen der ersten Grenze X(N) und der zweiten Grenze Y(N) bleibt, bestimmt, dass der Betriebsbereich vom zweiten Betriebsbereich II auf den ersten Betriebsbereich I übergegangen ist, und die Niedertemperaturverbrennung wird gestartet. 11 ist ein Ablaufdiagramm dieser zweiten Ausführung.
Gemäß 11 wird zuerst in Schritt 200 festgestellt, ob eine Markierung I, die anzeigt, dass der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine der erste Betriebsbereich I ist, gesetzt worden ist oder nicht. Wenn die Markierung I gesetzt worden ist, das heißt, wenn der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine der erste Betriebsbereich I ist, geht die Routine weiter zu Schritt 201, in dem festgestellt wird, ob die angeforderte Last L größer als die Grenze X(N), dargestellt in 7, geworden ist oder nicht.
Wenn L ≤ X(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 202, in dem der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf den Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im Betriebsbereich I in 9, gebracht wird. Als Nächstes wird in Schritt 203 der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 auf den Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im ersten Betriebsbereich I in 9, gebracht. Als Nächstes wird in Schritt 204 die Einspritzmenge, der Einspritzanfangszeitpunkt θS und der Einspritzendzeitpunkt θE entsprechend der angeforderten Last L und dergleichen, dargestellt im ersten Betriebsbereich I in 9, bestimmt und der Kraftstoff auf der Basis dieser Bestimmungen eingespritzt.
Andererseits geht, wenn in Schritt 201 festgestellt wird, dass L > X(N) ist, die Routine weiter zu Schritt 205, in dem die Markierung I zurückgesetzt wird. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 210, in dem der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf einen Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L im zweiten Betriebsbereich II, dargestellt in 9, gebracht wird. Das heißt, dass die Drosselklappe 16 vollständig geöffnet wird. Als Nächstes wird in Schritt 211 der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 auf einen Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im zweiten Betriebsbereich II in 9, gebracht. Als Nächstes wird in Schritt 212 die Einspritzmenge, der Einspritzanfangszeitpunkt θS und der Einspritzendzeitpunkt θE entsprechend der angeforderten Last L und dergleichen, dargestellt im zweiten Betriebsbereich II in 9, bestimmt und der Kraftstoff auf der Basis dieser Bestimmungen eingespritzt.
Andererseits geht, wenn in Schritt 200 festgestellt wird, dass die Markierung I zurückgesetzt worden ist, das heißt, wenn der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine der zweite Betriebsbereich II ist, die Routine weiter zu Schritt 206, in dem festgestellt wird, ob die angeforderte Last L kleiner als die zweite Grenze Y(N), dargestellt in 7, geworden ist oder nicht. Wenn L ≥ Y(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 207, in dem festgestellt wird, ob die angeforderte Last L kleiner als die erste Grenze X(N) ist oder nicht, das heißt, ob die angeforderte Last zwischen der ersten Grenze X(N) und der zweiten Grenze Y(N) liegt.
Wenn L > X(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 210. Im Gegensatz dazu geht, wenn L ≤ X(N) ist, das heißt, wenn Y(N) ≤ L ≤ X(N) ist, die Routine weiter zu Schritt 208, in dem festgestellt wird, ob eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist oder nicht. Wenn die vorbestimmte Zeitdauer nicht abgelaufen ist, geht die Routine weiter zu Schritt 210. Im Gegensatz dazu geht, wenn die vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist, das heißt, wenn der Zustand, in dem Y(N) ≤ L ≤ X(N) ist, länger als für die vorbestimmte Zeitdauer anhält, die Routine weiter zu Schritt 209, in dem die Markierung I gesetzt wird.
Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 202, in dem die Niedertemperaturverbrennung gestartet wird.
Andererseits geht, wenn in Schritt 206 festgestellt wird, dass L < Y(N) ist, die Routine weiter zu Schritt 213, in dem die Markierung I gesetzt wird. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 202, in dem die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird.
12 zeigt eine dritte Ausführung. In dieser Ausführung wird, wenn sich der Betriebsbereich vom ersten Betriebsbereich I auf den zweiten Betriebsbereich II ändert, sowohl der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 als auch der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 stufenartig so geändert, dass die Abgas-Rückführungsrate von ungefähr 65 Prozent auf weniger als 40 Prozent reduziert wird. Das heißt, dass in dieser Ausführung, wenn sich der Betriebsbereich vom ersten Betriebsbereich I auf den zweiten Betriebsbereich II ändert, der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 stufenartig vergrößert wird, während der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 stufenartig abgesenkt wird. Dabei ist zu beachten, dass in dieser Ausführung im Teillastbereich des zweiten Betriebsbereichs II der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 langsam umso größer gemacht wird, je größer die angeforderte Last L wird.
Die 13 bis 17 zeigen eine vierte Ausführung. In dieser Ausführung wird im Teillastbereich des zweiten Betriebsbereichs II, dargestellt in 7, eine geringe Menge Kraftstoff im ersten Teil des Ansaughubs eingespritzt und der größte Teil des Kraftstoffs wird in der Nähe des oberen Totpunkts des Kompressionshubs eingespritzt, das heißt, es wird eine VIGOM-Einspritzung durchgeführt.
In 13 zeigt die unterbrochene Linie die Menge Rauch, die erzeugt wird, wenn Kraftstoff in der Endphase des Kompressionshubs eingespritzt wird, während die durchgezogene Linie die Menge Rauch zeigt, die bei der VIGOM-Einspritzung erzeugt wird. Wie in 13 gezeigt, wird mit der VIGOM-Einspritzung die Menge des erzeugten Rauchs klein und der Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, in dem Rauch erzeugt wird, wird schmaler. Wenn der Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, in dem Rauch erzeugt wird, schmaler wird, wird die Größe der Änderung der Abgas-Rückführungsrate, die erforderlich ist, um den Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu überspringen, in dem Rauch erzeugt wird, kleiner, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass die Steuerung des Öffnungsgrads der Drosselklappe 16 oder die Steuerung des Öffnungsgrads des Abgasrückführungsventils 23 zum Überspringen des Bereichs des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, in dem Rauch erzeugt wird, einfacher wird.
14 zeigt die Aufteilung der Betriebsbereiche in der vierten Ausführung. In 14 sind der erste Betriebsbereich I, in dem Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, die erste Grenze X(N) und die zweite Grenze Y(N) die gleichen wie der erste Betriebsbereich I, die erste Grenze X(N) und die zweite Grenze Y(N), wie sie in 7 dargestellt sind. Im Gegensatz dazu ist der zweite Betriebsbereich II, dargestellt in 7, in den Teillast-Betriebsbereich II und den Volllast-Betriebsbereich III in der vierten Ausführung aufgeteilt. Im Teillast-Betriebsbereich II wird eine VIGOM-Einspritzung durchgeführt, während im Volllast-Betriebsbereich III die konventionell durchgeführte normale Einspritzung durchgeführt wird.
Dabei ist zu beachten, dass wie in 14 gezeigt in dieser Ausführung zwei Grenzen, das heißt eine dritte Grenze V(N) und eine vierte Grenze W(N) zwischen dem Teillast-Betriebsbereich II und dem Volllast-Betriebsbereich III gesetzt sind. In diesem Fall wird der Wechsel der Betriebsbereiche vom Teillast-Betriebsbereich II zum Volllast-Betriebsbereich III auf der Basis der dritten Grenze V(N) entschieden, während der Wechsel der Betriebsbereiche vom Volllast-Betriebsbereich III zum Teillast-Betriebsbereich II auf der Basis der vierten Grenze W(N) entschieden wird.
15 zeigt die Öffnungsgrade der Drosselklappe 16, den Öffnungsgrad des Abgas-Rückführungsventils 23, die Abgas-Rückführungsrate, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Einspritzzeitsteuerung in Abhängigkeit von der angeforderten Last L. Wie in 15 dargestellt, wird im ersten Betriebsbereich I, in dem die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 langsam vom annähernd vollständig geschlossenen bis zum halb geöffneten Zustand vergrößert, wenn die angeforderte Last L größer wird, während der Öffnungsgrad des Abgas-Rückführungsventils 23 langsam vom annähernd vollständig geschlossenen bis zum vollständig geöffneten Zustand vergrößert wird, wenn die angeforderte Last L größer wird. Darüber hinaus wird in der in 15 dargestellten Ausführung im ersten Betriebsbereich I die Abgas-Rückführungsrate auf ungefähr 80 Prozent und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein leicht mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis gebracht.
Andererseits wird, wenn der Betriebsbereich vom ersten Betriebsbereich I, in dem die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, auf den Teillast-Betriebsbereich II geändert wird, der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 stufenartig vom halb geöffneten Zustand bis zum vollständig geöffneten Zustand vergrößert. Zu diesem Zeitpunkt wird in dem in 15 dargestellten Beispiel die Abgas-Rückführungsrate stufenartig von ungefähr 80 Prozent auf weniger als 40 Prozent verkleinert und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stufenartig erhöht. Das bedeutet, dass der Bereich der Abgas-Rückführungsraten, bei denen eine große Menge Rauch erzeugt wird, übersprungen wird, so dass nicht länger eine große Menge Rauch erzeugt wird, wenn der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine vom ersten Betriebsbereich I auf den Teillast-Betriebsbereich II geändert wird.
Im Teillast-Betriebsbereich II wird die VIGOM-Einspritzung durchgeführt. In diesem Teillast-Betriebsbereich II wird die Drosselklappe 16 in vollständig geöffnetem Zustand gehalten und der Öffnungsgrad des Abgas-Rückführungsventils 23 wird auf einem im Wesentlichen konstanten Öffnungsgrad gehalten. Aus diesem Grund wird im Teillast-Betriebsbereich II die Abgas-Rückführungsrate im Wesentlichen konstant gehalten und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird klein, wenn die angeforderte Last L groß wird. Darüber hinaus wird eine geringe Menge Kraftstoff in der Anfangsphase des Ansaughubs eingespritzt, während der größte Teil des Kraftstoffs in der Nähe des oberen Totpunkt des Kompressionshubs eingespritzt wird.
Wenn sich der Betriebsbereich vom Teillast-Betriebsbereich II, in dem eine VIGOM-Einspritzung durchgeführt wird, zum Volllast-Betriebsbereich III ändert, in dem die konventionell durchgeführte normale Einspritzung durchgeführt wird, ändern sich der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 und der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 nicht stark, wodurch sich die Abgas-Rückführungsrate und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht stark ändern. Im Volllast-Betriebsbereich III wird die Drosselklappe 16 in vollständig geöffnetem Zustand gehalten, während der Öffnungsgrad des Abgas-Rückführungsventils 23 umso kleiner gemacht wird, je größer die angeforderte Last L wird. Aus diesem Grund wird die Abgas-Rückführungsrate umso kleiner, je größer die angeforderte Last wird, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird umso kleiner, je größer die angeforderte Last L wird.
Als Nächstes folgt eine Erklärung der Steuerung des Betriebs unter Verweis auf die 16 und 17.
Gemäß 16 und 17 wird zuerst in Schritt 300 festgestellt, ob eine Markierung I, die anzeigt, dass der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine der erste Betriebsbereich I ist, gesetzt worden ist oder nicht. Wenn die Markierung I gesetzt worden ist, das heißt, wenn der Betriebsbereich der Brennkraftmaschine der erste Betriebsbereich I ist, geht die Routine weiter zu Schritt 301, in dem festgestellt wird, ob die angeforderte Last L größer als die erste Grenze X(N), dargestellt in 7, geworden ist oder nicht.
Wenn L ≤ X(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 302, in dem der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf den Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im Betriebsbereich I in 15, gebracht wird. Als Nächstes wird in Schritt 303 der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 auf den Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im ersten Betriebsbereich I in 15, gebracht. Als Nächstes wird in Schritt 304 der Einspritzanfangszeitpunkt θS und der Einspritzendzeitpunkt θE entsprechend der angeforderten Last L und dergleichen, dargestellt im ersten Betriebsbereich I in 15, bestimmt und der Kraftstoff auf der Basis dieser Bestimmungen eingespritzt.
Andererseits geht, wenn in Schritt 301 festgestellt wird, dass L > X(N) ist, die Routine weiter zu Schritt 305, in dem die Markierung I zurückgesetzt wird. Anschließend geht die Routine weiter zu Schritt 306, in dem eine Markierung II, die anzeigt, dass der Betriebsbereich der Teillast-Betriebsbereich II ist, gesetzt wird. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 307, in dem der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf einen Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L im Teillast-Betriebsbereich II, dargestellt in 15, gebracht wird. Das heißt, dass die Drosselklappe 16 vollständig geöffnet wird. Als Nächstes wird in Schritt 308 der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 auf einen Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im Teillast-Betriebsbereich II in 15, gebracht. Als Nächstes wird in Schritt 309 der Einspritzanfangszeitpunkt θS und der Einspritzendzeitpunkt θE entsprechend der angeforderten Last L und dergleichen, dargestellt im Teillast-Betriebsbereich II in 15, bestimmt und der Kraftstoff auf der Basis dieser Bestimmungen eingespritzt.
Andererseits geht, wenn in Schritt 300 festgestellt wird, dass die Markierung I zurückgesetzt worden ist, die Routine weiter zu Schritt 310, in dem festgestellt wird, ob die Markierung II gesetzt worden ist oder nicht. Wenn die Markierung II gesetzt worden ist, das heißt, wenn der Betriebsbereich der Teillast-Betriebsbereich II ist, geht die Routine weiter zu Schritt 311, in dem festgestellt wird, ob die angeforderte Last L größer als die dritte Grenze V(N), dargestellt in 14, geworden ist oder nicht. Wenn L ≤ V(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 312, in dem festgestellt wird, ob die angeforderte Last L kleiner als die zweite Grenze Y(N) geworden ist oder nicht. Wenn L ≤ Y(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 307, in dem die VIGOM-Einspritzung durchgeführt wird.
Im Gegensatz dazu geht, wenn festgestellt wird, dass L < Y(N) ist, die Routine weiter zu Schritt 313, in dem die Markierung I gesetzt wird. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 302, in dem die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird.
Andererseits geht, wenn in Schritt 311 festgestellt wird, dass L > V(N) ist, die Routine weiter zu Schritt 315, in dem die Markierung II zurückgesetzt wird. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 316, in dem der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf einen Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L im Volllast-Betriebsbereich III, dargestellt in 15, gebracht wird. Das heißt, dass die Drosselklappe 16 in vollständig geöffnetem Zustand gehalten wird. Als Nächstes wird in Schritt 317 der Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 23 auf einen Öffnungsgrad entsprechend der angeforderten Last L, dargestellt im Volllast-Betriebsbereich III in 15, gebracht. Als Nächstes wird in Schritt 318 der Einspritzanfangszeitpunkt θS und der Einspritzendzeitpunkt θE entsprechend der angeforderten Last L und dergleichen, dargestellt im Volllast-Betriebsbereich III in 15, bestimmt und der Kraftstoff auf der Basis dieser Bestimmungen eingespritzt.
Andererseits geht, wenn in Schritt 310 festgestellt wird, dass die Markierung II zurückgesetzt worden ist, das heißt, wenn der Betriebsbereich der Volllast-Betriebsbereich III ist, die Routine weiter zu Schritt 319, in dem festgestellt wird, ob die angeforderte Last L kleiner als die vierte Grenze W(N), dargestellt in 14, geworden ist oder nicht. Wenn L ≥ W(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 316. Im Gegensatz dazu geht, wenn L < W(N) ist, die Routine weiter zu Schritt 320, in dem die Markierung II gesetzt wird, und dann weiter zu Schritt 307. Aus diesem Grund wird zu diesem Zeitpunkt die VIGOM-Einspritzung durchgeführt.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es, wie vorstehend erwähnt, möglich, die Menge von erzeugtem Ruß und NOx auf einen extrem kleinen Wert zu verringern, wenn die Brennkraftmaschine mit einer geringen Last betrieben wird.

Claims

Eine Brennkraftmaschine, bei der eine Menge des erzeugten Rußes langsam zunimmt und dann einen Spitzenwert erreicht, wenn eine Menge des rückgeführten Abgases, das in eine Brennkammer zugeführt wird, zunimmt, und bei der eine weitere Zunahme der Menge des rückgeführten Abgases, das in die Brennkammer zugeführt wird, dazu führt, dass die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases in der Brennkammer niedriger als eine Temperatur der Erzeugung von Ruß wird und deshalb fast keine Erzeugung von Ruß mehr erfolgt, wobei diese Brennkraftmaschine folgendes umfasst: eine Schaltvorrichtung zum selektiven Umschalten zwischen einem ersten Brennverfahren, bei dem die Menge des rückgeführten Abgases, das in die Brennkammer zugeführt wird, größer ist als die Menge des rückgeführten Abgases, bei der die Erzeugung von Ruß einen Spitzenwert erreicht, und fast keine Erzeugung von Ruß mehr erfolgt, und einem zweiten Brennverfahren, bei dem die Menge des rückgeführten Abgases, das in die Brennkammer zugeführt wird, kleiner ist als die Menge des rückgeführten Abgases, bei der die Erzeugung von Ruß einen Spitzenwert erreicht; und eine Abgas-Rückführungsraten-Steuervorrichtung für die stufenweise Veränderung der Abgas-Rückführungsrate beim Umschalten vom ersten Brennverfahren auf das zweite Brennverfahren oder vom zweiten Brennverfahren auf das erste Brennverfahren.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1; wobei die Abgas-Rückführungsraten-Steuervorrichtung dafür sorgt, dass die Abgas-Rückführungsrate stufenweise abfällt, wenn vom ersten Brennverfahren auf das zweite Brennverfahren umgeschaltet wird, und dafür sorgt, dass die Abgas-Rückführungsrate stufenweise ansteigt, wenn vom zweiten Brennverfahren auf das erste Brennverfahren umgeschaltet wird.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1; wobei die Abgas-Rückführungsrate bei Durchführung des ersten Brennverfahrens mindestens ungefähr 55 Prozent beträgt und die Abgas-Rückführungsrate bei Durchführung des zweiten Brennverfahrens weniger als ungefähr 50 Prozent beträgt.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1; wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stufenweise verändert wird, wenn vom ersten Brennverfahren auf das zweite Brennverfahren umgeschaltet wird oder wenn vom zweiten Brennverfahren auf das erste Brennverfahren umgeschaltet wird.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 4; wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stufenweise vergrößert wird, wenn vom ersten Brennverfahren auf das zweite Brennverfahren umgeschaltet wird, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stufenweise verkleinert wird, wenn vom zweiten Brennverfahren auf das erste Brennverfahren umgeschaltet wird.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 4; wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis beim ersten Brennverfahren auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das etwas magerer als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, oder ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis gebracht wird und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis beim zweiten Brennverfahren ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1; wobei die Abgas-Rückführungsraten-Steuervorrichtung die Menge des rückgeführten Abgases oder die Menge der eingelassenen Luft stufenweise ändert, wenn vom ersten Brennverfahren auf das zweite Brennverfahren umgeschaltet wird oder wenn vom zweiten Brennverfahren auf das erste Brennverfahren umgeschaltet wird.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1; wobei ein Brennkraftmaschinen-Betriebsbereich unterteilt wird in einen Teillast-Primärbetriebsbereich, in dem das erste Brennverfahren durchgeführt wird, und einen Volllast-Sekundärbetriebsbereich, in dem das zweite Brennverfahren durchgeführt wird.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 8; wobei Grenzen zwischen dem Primärbetriebsbereich und dem Sekundärbetriebsbereich eine erste Grenze und eine zweite Grenze auf einer Teillastseite der ersten Grenze umfassen, das erste Brennverfahren auf das zweite Brennverfahren basierend auf der ersten Grenze umgeschaltet wird und das zweite Brennverfahren auf das erste Brennverfahren basierend auf der zweiten Grenze umgeschaltet wird.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 9; wobei, wenn der Brennkraftmaschinen-Betriebsbereich im Sekundärbetriebsbereich und zwischen der ersten Grenze und der zweiten Grenze für mindestens eine vorbestimmte Zeitdauer bleibt, vom zweiten Brennverfahren auf das erste Brennverfahren umgeschaltet wird.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 8; wobei im teillastseitigen Betriebsbereich des Sekundärbetriebsbereichs eine Kraftstoffeinspritzung zweimal in einem Ansaughub und in einem Kompressionshub durchgeführt wird.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1; wobei die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung nach dem ersten Brennverfahren eine Temperatur ist, bei der die Menge des im Abgas enthaltenen NOx ungefähr 10 ppm oder weniger beträgt.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1; wobei bei der Durchführung des ersten Brennverfahrens unverbrannte Kohlenwasserstoffe aus der Brennkammer nicht in Form von Ruß, sondern in Form eines Rußvorläufers oder einer davor liegenden Form ausgestoßen werden und eine Nachbehandlungsvorrichtung zum Entfernen der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die aus der Brennkammer ausgestoßen werden, in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
Eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 13; wobei die Nachbehandlungsvorrichtung einen Katalysator mit einer Oxidationsfunktion zum Entfernen der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die aus der Brennkammer ausgestoßen werden, umfasst.
Eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 14; wobei der Katalysator ein Oxidationskatalysator, Dreiwegekatalysator oder NOx-Absorbierer ist.