DE69828480T2

DE69828480T2 - Steuerungssystem für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE69828480T2
Application number: DE69828480T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Hiroshima-shi Nishimura; Youichi Hiroshima-shi Kuji
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: EP0919711A2; KR19990045569A; DE69828480D1; EP0919711B1; KR100589804B1; JPH11218048A; EP0919711A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Motorsteuerungssystem für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung und insbesondere ein Steuerungssystem für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung zum Steuern des Einspritzzeitpunktes, während der Motor sich noch im kalten Zustand befindet.
Motorsteuerungssysteme dieses Typs weisen in einem Abgasstrang einen stickoxidadsorbierenden Typ eines Magerstickoxidumwandlungskatalysators auf, der einerseits Stickoxide im Abgas adsorbiert, während das Kraftstoff-Luft-Gemisch magerer ist als ein stoichiometrisches Gemisch (λ > 1), und anderseits die Stickoxide zum Zweck der katalytischen Reduktion der Stickoxide in das Abgas desorbiert oder abgibt, während das Kraftstoff-Luft-Gemisch fetter ist als ein stoichiometrisches Gemisch (λ < 1). Wie beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO93/07363 bekannt ist, steuert ein solches Motorsteuerungssystem den Motor so, dass er beim Beschleunigen oder unter Volllast mit einem angereicherten Gemisch und unter allen anderen Betriebsbedingungen mit einem mageren Gemisch arbeitet, um den Kraftstoffverbrauch zu optimieren.
Ein Motorsteuerungssystem für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung, das beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift 7-119507 bekannt ist, steuert den Motor so, dass eine Schichtladungsverbrennung in einem unteren Motorlastbereich und eine homogene Ladungsverbrennung in einem hohen Motorlastbereich bewirkt wird. Während der Motor mit niedrigeren Drehzahlen im hohen Lastbereich arbeitet, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei Schritten durch eine frühe und eine späte Teileinspritzung während des Einlasshubes so zugeführt, dass eine erste Hälfte des Kraftstoffs, die durch die frühe Teileinspritzung einge spritzt wird, vor dem Ende eines Einlasshubes im Brennraum zerstäubt wird, während die zweite Hälfte des Kraftstoffs im Brennraum zerstäubt wird, wenn sein Volumen größer ist. Dies verhindert die Erzeugung eines fetten oder dichten Gemisches über dem Kolbenboden während des nachfolgenden Verdichtungshubes (wozu es im allgemeinen kommt, wenn eine bestimmte Menge Kraftstoff durch ungeteilte Einspritzung mit einem Mal eingespritzt wird), was wünschenswert ist, um Rauchbildung zu verhindern.
Ein anderes Motorsteuerungssystem für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung wirkt mit einer Kraftstoffeinspritzdüse zusammen, die auf den Kolbenboden ausgerichtet ist und so betätigt wird, dass sie eine kleine Menge Kraftstoff vorbereitend am Beginn eines Einlasshubes einspritzt, wenn der Motor klopft. Der Kraftstoff haftet teilweise am Kolbenboden auf der Seite des Einlasskanals und prallt teilweise vom Kolbenboden in Richtung des Einlasskanals ab, wobei der Kolbenboden und der Brennraum auf der Seite des Einlasskanals mit der Verdampfungswärme des Kraftstoffs gekühlt werden. Ein solches Motorsteuerungssystem ist beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift 7-217478 bekannt.
Des Weiteren offenbart US-Patentschrift 4621599 an Igarashi und Mitarbeiter ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, wobei nach der Zündung oder in der Nähe des oberen Totpunktes eines Verdichtungshubes Hilfskraftstoff eingespritzt wird und anschließend der Hauptkraftstoff eingespritzt wird, nachdem die Hilfskraftstoffeinspritzung beendet ist. Des Weiteren offenbart WO96/22457 ein Abgasreinigungsverfahren für Verbrennungsmotoren, wobei die Kraftstoffeinspritzung sowohl während des Einlasshubes als auch des Verdichtungshubes erfolgt, um ein Ansteigen der Abgastemperatur zu bewirken.
Wenn ein Motor im kalten Zustand läuft, so verschlechtert sich im Allgemeinen das Verdampfungsverhalten des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs, was die Entzündlichkeit und die Verbrennbarkeit verschlechtert. Aus Sicht der Verbrennungsstabilität ist das unerwünscht. Da gerade bei einem Ottomotor mit Direkteinspritzung die Zeitspanne, die für die Kraftstoffverdampfung zur Verfügung steht, kürzer ist als bei einem sog. Motor mit Einlasskanaleinspritzung, verschlechtert sich das Kraftstoffverdampfungsverhalten dramatisch.
Es kann sich als effektiv erweisen, die Verschlechterung des Kraftstoffverdampfungsverhaltens eines im kalten Zustand arbeitenden Motors zu vermeiden, um die Menge an eingespritztem Kraftstoff in ausreichendem Maß zu erhöhen, um selbst bei kaltem Motorlauf eine große Menge an verdampftem Kraftstoff bereitzustellen, um damit einer Verschlechterung der Entzündlichkeit und Verbrennbarkeit entgegenzuwirken und somit die gewünschte Verbrennungsstabilität aufrecht zu erhalten. Die Verbrennung einer größeren Menge Kraftstoff führt aber infolge eines überfetteten Kraftstoffgemischs zu einer größeren Menge an Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) und zu einem Ansteigen des spezifischen Kraftstoffverbrauchs.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Motorsteuerungssystem für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung bereitzustellen, das die Verbrennungsstabilität bei kaltem Motorlauf verbessert, indem es den Kraftstoff nach einem bestimmten Muster einspritzt, so dass ein mageres Kraftstoffgemisch entsteht, das für die Optimierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und ein Senken der Schadstoffemissionen wünschenswert ist.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erreicht, indem ein Motorsteuerungssystem für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung bereitgestellt wird, welches die Kraftstoffeinspritzdüse so betätigt, dass eine bestimmte Menge Kraftstoff intermittierend in zwei Schritten durch eine frühe bzw. eine späte Teileinspritzung während des Einlasshubes zugeführt wird, und die Kraftstoffeinspritzdüse so steuert, dass der Mittelpunkt zwischen Punkten, an denen die frühe bzw. die späte Teileinspritzung beginnt, vor dem Mittelpunkt des Einlasshubes liegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Motorsteuerungssystem für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung bereitgestellt, das eine Kraftstoffeinspritzdüse, welche Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzt, und ein Überwachungsmittel für den Betriebszustand des Motors, einschließlich der Temperatur des Motorkühl wassers, aufweist, gekennzeichnet durch Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsmittel zum Ausführen einer frühen und einer späten Teileinspritzung, wodurch eine bestimmte, in zwei Teile geteilte Menge Kraftstoff intermittierend während eines Einlasshubes eines Kolbens in einem verbleibenden Bereich, nachdem ein Bereich höherer Motorlast und höherer Motordrehzahlen und ein Bereich niedriger Motorlast ausgeschlossen wurde, zugeführt wird, während das Motorbetriebszustands-Überwachungsmittel eine Motorkühlwassertemperatur über einem zuvor festgelegten Niveau in einem angereicherten Bereich erkennt, in dem das Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ > 1 beträgt, und zum Steuern der Kraftstoffeinspritzdüse dergestalt, dass ein Mittelpunkt zwischen Punkten, an denen die geteilte Einspritzung jeweils beginnt, vor einem Mittelpunkt eines Einlasshubes des Kolbens liegt, das heißt bei einem Kurbelwinkel von 90°.
Während ein Teil des Kraftstoffs, der durch die frühe Teileinspritzung zugeführt wird, in ausreichendem Maße homogen im Brennraum zerstäubt wird, dessen Volumen sich vergrößert, während der Kolben sich abwärts bewegt, bevor die späte Teileinspritzung beginnt, wird ein anderer Teil des Kraftstoffs, der anschließend durch die späte Teileinspritzung zugeführt wird, im Brennraum, dessen Volumen sich ausreichend vergrößert hat, zerstäubt und homogenisiert. In der Folge wird im Brennraum ein homogenes Kraftstoffgemisch erzeugt, wodurch sich sowohl die Verbrennungsgeschwindigkeit als auch die Verbrennungsstabilität erhöht, ohne dass man die Eindringkraft eines Kraftstoffeinspritzstrahls vergrößern muss.
Wenn die Kraftstoffeinspritzung so gesteuert wird, dass der Mittelpunkt zwischen Punkten, an denen die frühe bzw. die späte Teileinspritzung beginnt, vor dem Mittelpunkt eines Einlasshubes liegt, so ergeben sich verschiedene auffallende Effekte, die im Weiteren beschrieben werden. Unter der Maßgabe, dass während eines gesamten Einlasshubes eine bestimmte Menge Kraftstoff eingespritzt werden muss, kann die frühe Teileinspritzung an einem Punkt ausgelöst werden, an dem sich der Kolben mit einer relativ hohen Geschwindigkeit abwärts bewegt, wodurch ein kräftiger Einlassluftstrom erzeugt wird, was das Erreichen einer homogenen Verteilung des Kraftstoffgemischs und das Verdampfen des Kraftstoffs beschleunigt. Die frühe und späte Teileinspritzung ist als Ganzes in der Anfangsphase ei nes Einlasshubes beendet, wodurch Kraftstoff, der durch die späte Teileinspritzung zugeführt wird, an der nahen Zylinderwand haftet, wenn der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht (am Ende eines Einlasshubes), um ein verzögertes Erreichen einer homogenen Verteilung des Kraftstoffgemischs zu vermeiden. Außerdem steht mit Sicherheit eine lange Zeitspanne zur Verfügung, in der das Kraftstoffgemisch verdampfen kann, bevor das Kraftstoffgemisch durch den Zündfunken entzündet wird und bevor die Einlassluft durch zurückgeführte Abgase erwärmt wird, was immer für eine Beschleunigung der Kraftstoffverdampfung wünschenswert ist. Diese Effekte beeinflussen sich gegenseitig dergestalt, dass der Kraftstoff deutlich homogener verteilt wird und das Kraftstoffgemisch deutlich effizienter verbrennt, was auf eine verkürzte Verbrennungszeit zurückzuführen ist, wodurch die Temperatur des Abgases gesenkt wird.
Wenn eine bestimmte Menge Kraftstoff für die frühe und die späte Teileinspritzung in zwei ungefähr gleiche Teile geteilt wird, so wird für jede Teileinspritzung eine ausreichend lange Zeit vorgesehen, um zu verhindern, dass die Zerstäubung des Kraftstoffs durch die Öffnungs- und Schließbewegung der Einlass- und Auslassventile blockiert wird.
Der Beginn der späten Teileinspritzung kann an einen Punkt gelegt werden, der im ersten oder im mittleren Abschnitt von drei etwa gleich großen Abschnitten eines Einlasshubes des Kolbens liegt, und das Ende der späten Teileinspritzung kann an einen Punkt gelegt werden, der im ersten oder im mittleren Abschnitt eines Einlasshubes des Kolbens liegt, während der Motor in einem unteren Drehzahlbereich arbeitet. Da – mit Ausnahme des unteren Drehzahlbereichs – die Zeit, die eine Motorabtriebswelle für eine Umdrehung braucht, sehr kurz ist, ist es praktisch unmöglich, die späte Teileinspritzung im ersten oder im mittleren Abschnitt eines Einlasshubes zu beenden.
Die späte Teileinspritzung kann so gesteuert werden, dass ihr Mittelpunkt vor den Mittelpunkt eines Einlasshubes des Kolbens gelegt wird, an dem der Kolben seine größte Abwärtsgeschwindigkeit erreicht. In diesem Fall erfolgt die späte Teileinspritzung, wenn der Kolben seine größte Abwärtsgeschwindigkeit erreicht und damit bewirkt, dass die Einlassluft am schnellsten strömt, was zu einer homogenen Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum führt.
Obgleich es nach dem Stand der Technik ein beliebtes Verfahren ist, die Kraftstoffmenge beim Anlassen zu erhöhen und in mehreren Teilen zuzuführen, um das Startverhalten eines Motors zu verbessern, kann das erfindungsgemäße Motorsteuerungssystem die Teileinspritzung des Kraftstoffs nach dem Anlassen des Motors beginnen lassen, während der Motor noch im kalten Zustand ist.
Das Motorsteuerungssystem enthält zweckmäßigerweise ein Abgasrückführungssystem und bewirkt, dass dieses Abgasrückführungssystem Abgas in den Einlassluftstrom gelangen lässt, während sich der Motor in einem Betriebszustand befindet, in dem die Motorkühlwassertemperatur über einem vorgegebenen Wert liegt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch angereichert ist. In diesem Fall – während sich der Motor auf eine Temperatur über dem vorgegebenen Wert erwärmt, und selbst bei kaltem Motor – senkt die Rückführung von Abgas in den Brennraum, in Kombination mit einer verbesserten Verbrennungsstabilität infolge der geteilten Einspritzung, den Ladungswechselverlust, wodurch der spezifische Kraftstoffverbrauch sinkt und senkt die Höchsttemperatur des Abgases, wodurch der Ausstoß von Stickoxiden verringert und die Verdampfung des Kraftstoffeinspritzstrahls beschleunigt wird.
Das Motorsteuerungssystem kann ein Luftstromsteuerungsmittel enthalten, das im Brennraum ein Luftstrom erzeugt, die eine homogene Verteilung des Kraftstoffs fördert, wodurch sich die Verbrennungsstabilität erhöht. Des Weiteren ist die Kraftstoffeinspritzdüse vorzugsweise von einem Typ mit einem Strahlwinkel von mehr als 45° zur Beschleunigung eines einfachen Erreichens einer homogenen Verteilung des Kraftstoffs.
Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ist eine schematische Darstellung eines Motorsteuerungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein Diagramm einer Karte mit Kraftstoffzufuhr-Steuerungszonen für einen betriebswarmen Motor.
3 ist ein Diagramm einer Karte mit Kraftstoffzufuhr-Steuerungszonen für einen betriebswarmen Motor.
4 ist ein Diagramm einer Karte mit Abgasrückführungs-Steuerungszonen.
5(A) bis 5(D) sind ein Ablaufdiagramm einer Ablaufroutine einer Kraftstoffzufuhr-Steuerung für einen Mikrocomputer einer Motorsteuerungseinheit.
6 ist ein Zeitdiagramm der Kraftstoffeinspritzung für verschiedene Motorbetriebsbereiche.
7(A) und 7(B) sind eine Kurvendarstellung der Änderung des Pi-Koeffizienten bzw. des spezifischen Kraftstoffverbrauchs im Verhältnis zur Zeitsteuerung der späten Teileinspritzung.
8 ist ein weiteres Zeitdiagramm der Kraftstoffeinspritzung für verschiedene Motorbetriebsbereiche.
9 ist ein Diagramm mit einer Änderung der Karte mit Kraftstoffzufuhr-Steuerungszonen für einen betriebswarmen Motor gemäß 2.
10 ist ein Diagramm mit einer weiteren Änderung der Karte mit Kraftstoffzufuhr-Steuerungszonen für einen betriebswarmen Motor gemäß 2.
Der Begriff "Stickoxidumwandlung", wie er in dieser Spezifikation benutzt wird, meint – und bezieht sich auf – eine Reduktion des Stickoxidgehalts im Abgas beispielsweise durch Stickoxidadsorption in einem Stickoxidadsorptionskatalysator und eine Reduktion von Stickoxid zu N₂ und O₂ durch einen Stickoxidreduktionskatalysator. Der Begriff "Magerstickoxidumwandlungskatalysator", wie er in dieser Spezifikation benutzt wird, meint – und bezieht sich auf – den Katalysatortyp, der eine Stickoxidausstoßmenge in magerem Abgas mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ > 1 steuert oder senkt.
Da der Typ des Ottomotors mit Direkteinspritzung allgemein bekannt ist, richtet sich die vorliegende Beschreibung insbesondere auf Elemente, die zu einem erfindungsgemäßen Motorsteuerungssystem gehören oder direkt mit einem erfindungsgemäßen Motorsteuerungssystem zusammenwirken. Es wird darauf hingewiesen, dass Elemente, die nicht ausdrücklich gezeigt oder beschrieben sind, verschiedene Formen annehmen können, die dem Automobilfachmann allgemein bekannt sind.
Wenden wir uns den Zeichnungen im Einzelnen zu. 1 zeigt ein Motorsteuerungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Mehrzylindermotor 1 mit Kraftstoffdirekteinspritzung, der mit einer Abgasrückführungsanlage ausgestattet ist, die durch das Motorsteuerungssystem gesteuert wird, besteht aus einem Zylinderblock 3, der mit Zylinderbohrungen 2 versehen ist (von denen nur eine einzige dargestellt ist), in denen Kolben 5 gleiten können, und einem Zylinderkopf 4, der auf dem Zylinderblock 3 montiert ist. Durch den Boden des Kolbens 5, eine untere Wand des Zylinderkopfes 4 und die Zylinderbohrung 2 wird ein Brennraum 6 in dem Zylinder gebildet. Zwei Einlasskanäle 12 (von denen nur ein einziger dargestellt ist) und ein Auslasskanal 13 öffnen in den Brennraum 6 hinein und werden zu festgelegten Zeiten durch Einlassventile 8 bzw. ein Auslassventil 9 geöffnet bzw. geschlossen. Im Zylinderkopf 4 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse dergestalt angeordnet, dass ein Kraftstoffstrahl von der Seite direkt in den Brennraum 6 eingeschossen wird. Der Kolben 5 fängt mit einer (nicht gezeigten) Mulde im Kolbenboden den Kraftstoffstrahl ein und bildet dabei eine Schicht aus einem relativ dichten Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Nähe der Zündkerze 10, wobei auf diese Weise im Brennraum 6 eine Schichtladung aus Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird. Bei diesem Motor 1 handelt es sich um einen Ottomotor mit Direkteinspritzung. Im Zylinderkopf 4 befindet sich eine Zündkerze 10, dergestalt, dass die Elektroden der Zündkerze 10 abwärts in den Brennraum 6 hineinreichen und auf die vertikale Mittelachse des Zylinders ausgerichtet sind und an einen Zündstromkreis 11 angeschlossen sind, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor zu entzünden. Eine Kraftstoffleitung 15, durch die einer Kraftstoffeinspritzdüse 14 der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 16 zugeführt wird, ist mit zwei Kraftstoffpumpen ausgerüstet, und zwar mit einer Niederdruck-Kraftstoffpumpe 17, die im Kraftstofftank 16 angeordnet ist, und mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18, die auf der Außenseite des Kraftstofftanks 16 angeordnet ist. Die Kraftstoffleitung 15 ist des Weiteren zwischen den Kraftstoffpumpen 17 und 18 mit einem Niederdruckregler 19 und einem Kraftstofffilter 20 – in dieser Reihenfolge – ausgestattet, die seitlich des Kraftstofftanks 16 angeordnet sind. Eine Kraftstoffrücklaufleitung 22, die mit einem Hochdruckregler 21 ausgestattet ist, ist zwischen einem Punkt nach der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 und einem Punkt vor dem Kraftstofffilter 20 an die Kraftstoffleitung 15 angeschlossen. Kraftstoff wird dem Kraftstofftank 16 durch die Niederdruckpumpe 17 entnommen, durch den Niederdruckregler 19 druckgeregelt und anschließend durch die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 mit einer vielfachen Druckerhöhung zur Kraftstoffeinspritzdüse 14 geleitet. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird teilweise der Kraftstoffeinspritzdüse 14 zugeleitet und teilweise durch die Kraftstoffrücklaufleitung 22 zurückgeführt. Der Hochdruckregler 21 regelt die Rücklaufkraftstoffmenge so, dass der druckbeaufschlagte Kraftstoff, welcher der Kraftstoffeinspritzdüse 14 zugeleitet wird, den optimalen Druck aufweist.
Eine Einlassleitung 25 weist am stromaufwärtigen Ende einen Luftreiniger 26 und am stromabwärtigen Ende einen Einlasskrümmer auf, der unabhängig mit den Einlasskanälen 12 des Zylinders verbunden ist. In jedem Einlasskanal 12 befindet sich ein Einlassventil 8, während sich ein Luftstromsteuerungsventil 30 nur in einem der Einlasskanäle 12 befindet. Das Luftstromsteuerungsventil 30, das vom Typ eines über ein Betätigungsglied betätigten Ventils sein kann, bewirkt, dass – wenn es schließt – ein Luftstrom nur über den anderen Einlasskanal 12 in den Brennraum 6 gelassen wird, was beispielsweise zur Entstehung eines kräftigen Einlassluftwirbels in Verwirbelungskomponenten in Richtung der vertikalen Zylinderachse führt. Die Einlassleitung 25 ist mit einem wärmefühlenden Luftstromsensor 27, einer elektrisch gesteuerten Drosselklappe 28 und einem Ausgleichsbehälter 29 – in dieser Reihenfolge vom stromaufwärtigen Ende aus gesehen – ausgestattet. Die Drosselklappe 28 wird nicht direkt durch das Gaspedal gesteuert, sondern indirekt durch das Gaspedal über ein (nicht gezeigtes) Betätigungselement.
Ein Abgasstrang 31, durch den Abgas ins Freie geleitet wird, ist mit einem Sauerstoffsensor (der im weiteren als "O₂-Sensor" bezeichnet wird) 32, einem Dreiwegekatalysator 33 und einem Magerstickoxidumwandlungskatalysator 34 vom Stickoxidadsorptionstyp (der alternativ vom Stickoxidreduktionstyp sein kann) – in dieser Reihenfolge vom stromaufwärtigen Ende aus gesehen – versehen. Der O₂-Sensor 32 überwacht die Sauerstoffkonzentration des Abgases, auf deren Basis ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis ermittelt wird und gibt ein Ausgabesignal ab, das sich auf entgegen gesetzten Seiten eines stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses schlagartig ändert. Jeder Katalysator 33 und 34 ist von einem Typ, der mit einem Cordierit-Wabenblock versehen ist, welcher mit einem katalytischen Material beschichtet ist und durch den Abgas hindurchströmen kann. Der Dreiwegekatalysator 33 senkt die Emissionen an Stickoxiden (NOx), Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), wenn ein Kraftstoffgemisch auf λ < 1 angereichert wird. Der Magerstickoxidumwandlungskatalysator 34 adsorbiert Stickoxide und senkt den Stickoxidgehalt im Abgas sogar dann, wenn bei einem Kraftstoffgemisch λ > 1, und senkt außerdem die HC- und CO-Emissionen. Die Positionen des Dreiwegekatalysators 33 und des Magerstickoxidumwandlungskatalysators 34 können untereinander vertauscht werden. Wenn des Weiteren der Magerstickoxidumwandlungskatalysator 34 vom Doppelschicht-Typ ist, d. h. wenn er mit einer katalytischen Stickoxid-Adsorptionsschicht und einer katalytischen Stickoxid-Reduktionsschicht versehen ist, so ist es nicht immer erforderlich, den Dreiwegekatalysator zu verwenden.
Es ist ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) 37 vorgesehen, das Abgase teilweise in die Einlassleitung 25 hineinlässt. Bei dem Abgasrückführungssystem (AGR-System) 37 erstreckt sich eine Rückführungsleitung von dem Abgasstrang 31 stromaufwärts des O₂-Sensors zur Einlassleitung 25 zwischen der Drosselklappe 28 und dem Ausgleichsbehälter 29, und in der Rückführungsleitung 38 ist in einer Position nahe der Einlassleitung 25 ein elektrisch betätigtes Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) 39 installiert. Die Menge an Abgas, die durch die Rückführungsleitung 38 zurückgeführt wird, kann durch das AGR-Ventil 39 gesteuert werden. Dieses AGR-Ventil 39 ist dafür vorgesehen, sorgfältig gesteuerte Mengen Abgas in den Einlassluftstrom zu leiten.
Die Funktion des Zündstromkreises 11, der Kraftstoffeinspritzdüse 14, des Hochdruckreglers 21, des Betätigungsgliedes der Drosselklappe 28, des Luftstromsteuerungsventils 30, des AGR-Ventils und anderer elektrisch betätigter Elemente wird durch eine Steuerungseinheit 41 gesteuert, die einen Mikrocomputer MC aufweist. Es werden verschiedene Signale zur Steuerungseinheit 41 übermittelt: mindestens vom Luftstromsensor 27, vom O₂-Sensor 32, von einem Gaspedalstellungssensor 42, der die Stellungen des Gaspedals als Motorlastparameter erkennt, von einem Kurbelwinkelsensor 43, der die Drehwinkel einer Kurbelwelle 7 des Motors als Motordrehzahlparameter überwacht, von einem Temperatursensor 44, der die Temperatur des Motorkühlwassers überwacht, um zu ermitteln, ob sich der Motor 1 im kalten Zustand, in der Aufwärmphase oder im betriebswarmen Zustand befindet, von einem (nicht gezeigten) Positionssensor, der im AGR-Ventil 39 integriert ist und einen Ventilhub des AGR-Ventils 39 überwacht, und von einem (nicht gezeigten) Anlasser. Die Kraftstoffeinspritzdüse 14 erhält einen Öffnungsimpuls durch Aktivieren eines Magnetventils entsprechend einer Impulsbreite. Die Steuerungseinheit 41 überwacht kontinuierlich die Motordrehzahl, den Lastzustand, die Drosselklappenstellung, die Abgastemperatur usw., um die Impulsbreite entsprechend einer Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte zu steuern.
2 und 3 zeigen Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarten mit der Motordrehzahl und dem Lastzustand als Parameter für warme Motorbetriebszustände bzw. kalte Motorbetriebszustände, die einen mageren Kraftstoffzufuhrbereich, in dem der Motor mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch von λ > 1 beschickt wird, und einen angereicherten Kraftstoffzufuhrbereich, in dem der Motor mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch von λ < 1 beschickt wird, und – gemäß einem anderen Aspekt – einen Bereich ungeteilter Einspritzung, in dem eine bestimmte Kraftstoffmenge auf einmal zugeführt wird, und einen Bereich geteilter Einspritzung, in dem eine bestimmte Kraftstoffmenge in zwei Schritten bzw. in Form einer zweifach geteilten Einspritzung zugeführt wird, definieren. Die in 2 gezeigte Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte, die bei betriebswarmem Motor zum Einsatz kommt (wenn beispielsweise die Temperatur des Motorkühlwassers über 80°C liegt), definiert konkret fünf Kraftstoffzufuhr-Steuerungsbereiche, und zwar einen mageren Schichtladungsbereich (I), einen mageren homogenen Ladungsbereich (II) und angereicherte homogene Ladungsbereiche (III) bis (V). Im mageren Schichtladungsbereich (I), der für niedrigere Motorlast und niedrigere bis mittlere Motordrehzahlen definiert ist, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff mit einem Mal – um eine magere Schichtladungsverbrennung zu bewirken – unmittelbar vor einem Zündzeitpunkt eingespritzt, an dem die Zündkerze 10 während eines Verdichtungshubes einen Funken abgibt. Im mageren homogenen Ladungsbereich (II), der für niedrigere bis mittlere Motorlast und niedrigere bis mittlere Motordrehzahlen definiert ist, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei Teile geteilt und in zwei Schritten während eines Einlasshubes eingespritzt, um eine magere homogene Ladungsverbrennung zu bewirken. Im angereicherten homogenen Ladungsbereich (III), der für höhere Motorlast und höhere Motordrehzahlen definiert ist, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei Teile geteilt und in zwei Schritten während eines Einlasshubes eingespritzt, um eine angereicherte homogene Ladungsverbrennung zu bewirken. Im angereicherten homogenen Ladungsbereich (IV), der für höhere Motorlast und höhere Motordrehzahlen definiert ist, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff auf einmal während eines Einlasshubes eingespritzt, um eine angereicherte homogene Ladungsverbrennung zu bewirken. Im angereicherten homogenen Ladungsbereich (V), der für niedrigere Motorlast und mittlere bis höhere Motordrehzahlen definiert ist, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff auf einmal während eines Einlasshubes eingespritzt, um eine angereicherte homogene Ladungsverbrennung zu bewirken. Alle diese Bereiche (I) bis (V) sind so eingerichtet, dass sie einander nicht überlappen. Die in 3 gezeigte Kraftstoffzufuhr- Steuerungskarte, die bei kaltem Motor zum Einsatz kommt (wenn beispielsweise die Temperatur des Motorkühlwassers unter 80°C liegt), definiert drei angereicherte homogene Ladungsbereiche (A), (B) und (C). Im angereicherten homogenen Ladungsbereich (A), der für mittlere bis höhere Motorlast und niedrigere bis höhere Motordrehzahlen definiert ist, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei Teile geteilt und in zwei Schritten während eines Einlasshubes eingespritzt, um eine angereicherte homogene Ladungsverbrennung zu bewirken. Im angereicherten homogenen Ladungsbereich (B), der für niedrigere Motorlast und niedrigere bis höhere Motordrehzahlen definiert ist und im angereicherten homogenen Ladungsbereich (C), der für höhere Motorlast und höhere Motordrehzahlen definiert ist, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff auf einmal während eines Einlasshubes eingespritzt, um eine angereicherte homogene Ladungsverbrennung zu bewirken. Diese drei Bereiche (A) bis (C) sind so eingerichtet, dass sie einander nicht überlappen. Während der Motor in einem der drei Motorsteuerungsbereiche (II), (III) und (A), die in den 2 und 3 mit Schrägstrichen schattiert sind, arbeitet, in denen während eines Einlasshubes eine geteilte Einspritzung erfolgt, wird das AGR-System 37 aktiviert, um vom AGR-Ventil 39 gesteuerte Abgasmengen in den Einlassluftstrom hineinzulassen. Die Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) – d. h. die Rate der Menge an Abgas, die im Verhältnis zu jener Menge an Abgas zurückgeführt wird, die durch die Verbrennung entsteht – schwankt je nach Motorbetriebszustand um 10 bis 40%. Während der Motor 1 sich im kalten Betriebszustand im Motorsteuerungsbereich (A) befindet, wird Abgas nur zurückgeführt, wenn das Motorkühlwasser sich auf eine Temperatur von über – beispielsweise – 45°C erwärmt.
Wie in 4 zu sehen, erstreckt sich der AGR-Bereich über den mageren Schichtladungsbereich (I), den mageren homogenen Ladungsbereich (II), den angereicherten homogenen Ladungsbereich (III), mit Ausnahme eines Bereichs mit höherer Motorlast für warme Betriebszustände, und den angereicherten homogenen Ladungsbereich (A), mit Ausnahme eines Bereichs mit höherer Motorlast für kalte Betriebszustände.
Die 5(A) bis 5(D) zeigen ein Ablaufdiagramm einer Ablaufroutine einer Kraftstoffzufuhr-Steuerung.
Wie zu sehen, wird zu Beginn der Ablaufdiagramm-Logik die Steuerung bei Schritt S101 direkt von einem Funktionsblock übernommen, wo Signale Ne, Tv, Qa, Tw und Ss, die für verschiedene Steuerungsfaktoren wie Motordrehzahl, Gaspedalstellung, Einlassluftmenge, Kühlwassertemperatur bzw. ein Anlassersignal stehen, in die Steuerungseinheit 41 eingelesen werden. Nun wird bei Schritt S102 eine Entscheidung getroffen, ob der Motor 1 angelassen wird oder nicht. Wenn ein Anlassersignal Ss anliegt und die Motordrehzahl Ne niedriger als eine vorgegebene Drehzahl ist, so wird ein Anlassvorgang festgestellt. Wenn die Antwort positiv ist, so wird bei Schritt S103 eine Einspritzimpulsbreite TaK beim Anlassen des Motors berechnet. Die bestimmte Menge Kraftstoff wird in zwei Teile für eine frühe Kraftstoffeinspritzung und eine spätere Kraftstoffeinspritzung aufgeteilt, die während eines Einlasshubes entsprechend einem Teilungsverhältnis erfolgt, das durch einen Teilungsfaktor c (1 > 0) dargestellt wird. Zu diesem Zweck wird die Einspritzimpulsbreite TaK bei Schritt S104 in zwei Teileinspritzungs-Impulsbreiten aufgeteilt, nämlich TaK1, die durch c × TaK ausgedrückt wird, und TaK2, die durch (1 – c) × TaK ausgedrückt wird. Wenn der Motor anspringt, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff weder mit ungeteilter Einspritzung während des Einlasshubes noch mit ungeteilter Einspritzung während des Verdichtungshubes eingespritzt, und sowohl die Impulsbreite TaK3 für eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes als auch die Impulsbreite TaD für eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes werden gleichzeitig auf 0 (Null) gesetzt. Nun werden bei Schritt S105 die Teileinspritzzeitpunkte s1 und s2 für die frühe bzw. die spätere Kraftstoffeinspritzung bestimmt. Wie durch (b) in 6 gezeigt, sind die Zeitpunkte s1 und s2 für die frühe und die späte Teileinspritzung vorher festgelegt. Das heißt, der Zeitpunkt s1 für die frühe Kraftstoff-Teileinspritzung wird von einem Drehwinkel der Kurbelwelle 7 in einer frühen Hälfte eines Einlasshubes, genauer gesagt einem Kurbelwinkel von 45 bis 50 Grad vor dem oberen Totpunkt eines Einlasshubes, vorgegeben, und der Beginn der späten Teileinspritzung wird auf einen Zeitpunkt s2 in einer späteren Hälfte des Einlasshubes, genauer gesagt bei einem Kurbelwinkel von 100 bis 120 Grad nach dem oberen Totpunkt des Ein lasshubes, gelegt. Nachdem bei Schritt S105 die Zeitpunkte s1 und s2 für die frühe und die späte Teileinspritzung bestimmt wurden, wird bei Schritt S117 eine Entscheidung getroffen, ob es sich um den Zeitpunkt s1 für die frühe Kraftstoff-Teileinspritzung handelt. Nachdem bei Schritt S117 der Zeitpunkt s1 für die frühe Teileinspritzung abgewartet wurde, erhält die Kraftstoffeinspritzdüse 14 bei Schritt S118 einen Öffnungsimpuls zur Kraftstoffzufuhr entsprechend der Impulsbreite TaK1 für die frühe Teileinspritzung. In ähnlicher Form wird anschließend bei Schritt S119 eine Entscheidung getroffen, ob es sich um den Zeitpunkt s2 für die späte Kraftstoff-Teileinspritzung handelt. Nachdem bei Schritt S119 der Zeitpunkt s2 für die späte Teileinspritzung abgewartet wurde, erhält die Kraftstoffeinspritzdüse 14 bei Schritt S120 einen Öffnungsimpuls zur Kraftstoffzufuhr entsprechend der Impulsbreite TaK2 für die späte Teileinspritzung. Nach Abschluss der späten Teileinspritzung bei Schritt 120 kehrt die Ablaufdiagramm-Logik an den Anfang zurück, um die Ablaufroutine erneut zu beginnen.
Wenn andererseits die Antwort auf die Entscheidung bezüglich des Anlassens des Motors bei Schritt S102 negativ ist, so wird bei Schritt S106 eine weitere Entscheidung getroffen, ob die Kühlwassertemperatur Tw höher ist als ein vorgegebener Wert Two, d. h. ob der Motor 1 sich in einem warmen Zustand befindet. Wenn die Antwort positiv ist, so wird bei Schritt S107 eine weitere Entscheidung getroffen, ob der Motor im mageren Schichtladungsbereich (I) für niedrigere Motorlast und mittlere bis höhere Motordrehzahlen der Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte für einen betriebswarmen Motor gemäß 2 arbeitet. Wenn der Betriebszustand des Motors oder die Motorlast und die Motordrehzahl sich im mageren Schichtladungsbereich (I) befindet, so wird bei Schritt S108 eine Impulsbreite TaD für eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes für die magere Schichtladungsverbrennung berechnet. Im mageren Schichtladungsbereich (I) erfolgt weder eine geteilte Einspritzung noch eine ungeteilte Kraftstoffeinspritzung während des Einlasshubes, und sowohl die Impulsbreiten TaK1 und TaK2 für eine geteilte Einspritzung als auch die Impulsbreite TaK3 für eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes werden bei Schritt S109 auf 0 (Null) gesetzt. Anschließend wird bei Schritt S110 ein Zeitpunkt s3 für eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes bestimmt. Wie durch (a) in 6 gezeigt, ist der Zeitpunkt s3 für eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes vorher festgelegt. Das heißt, der Zeitpunkt s3 für eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes wird in einer späteren Hälfte des Verdichtungshubes gelegt. Anschließend wird bei Schritt S111 eine Entscheidung getroffen, ob es sich um den Zeitpunkt s3 für die ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes handelt. Nachdem bei Schritt S111 der Zeitpunkt s3 für die ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes abgewartet wurde, erhält die Kraftstoffeinspritzdüse 14 bei Schritt S112 einen Öffnungsimpuls zur Kraftstoffzufuhr entsprechend der Impulsbreite TaD für die ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes. Nach Abschluss der ungeteilten Einspritzung während des Verdichtungshubes kehrt die Ablaufdiagramm-Logik an den Anfang zurück, um die Ablaufroutine erneut zu beginnen.
Wenn die Antwort auf die Entscheidung bezüglich des Betriebszustandes des Motors bei Schritt S107 negativ ist, so wird anschließend bei Schritt S113 eine weitere Entscheidung getroffen, ob der Betriebszustand des Motors sich im mageren homogenen Ladungsbereich (ii) für niedrigere Motorlast und niedrigere bis mittlere Motordrehzahlen der Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte für einen betriebswarmen Motor gemäß 2 befindet. Wenn der Betriebszustand des Motors oder die Motorlast und die Motordrehzahl sich im mageren homogenen Ladungsbereich (II) befindet, so wird bei Schritt S114 eine Einspritzimpulsbreite TaK für eine magere homogene Ladungsverbrennung berechnet. Die bestimmte Menge Kraftstoff wird bei Schritt S115 in zwei Teile für eine frühe Kraftstoffeinspritzung und eine spätere Kraftstoffeinspritzung aufgeteilt, die während eines Einlasshubes entsprechend einem Teilungsverhältnis erfolgt, das durch einen Teilungsfaktor a (1 > 0) dargestellt wird. Die Einspritzimpulsbreite TaK wird in eine Impulsbreite TaK1 für eine frühe Teileinspritzung, die durch a × TaK ausgedrückt wird, und eine Impulsbreite TaK2 für eine späte Teileinspritzung, die durch (1 – a) × TaK ausgedrückt wird, aufgeteilt. Im mageren homogenen Ladungsbereich (II) wird die bestimmte Menge Kraftstoff weder durch eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes noch durch eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes eingespritzt, so dass folglich sowohl die Impulsbreite TaK3 für eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes als auch die Impulsbreite TaD für eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes auf 0 (Null) gesetzt werden. Danach werden die Zeitpunkte s1 und s2 für die frühe bzw. die späte Teileinspritzung, wie durch (b) in 6 gezeigt, bei Schritt S116 bestimmt. Nachdem bei Schritt S117 der Zeitpunkt s1 für die frühe Teileinspritzung abgewartet wurde, erhält die Kraftstoffeinspritzdüse 14 bei Schritt S118 einen Öffnungsimpuls zur Kraftstoffzufuhr entsprechend der Impulsbreite TaK1 für die frühe Teileinspritzung. In ähnlicher Form erhält, nachdem bei Schritt S119 der Zeitpunkt s2 für die späte Teileinspritzung abgewartet wurde, die Kraftstoffeinspritzdüse 14 bei Schritt S120 einen Öffnungsimpuls zur Kraftstoffzufuhr entsprechend der Impulsbreite TaK2 für die späte Teileinspritzung. Nach Abschluss der späten Teileinspritzung bei Schritt 120 kehrt die Ablaufdiagramm-Logik an den Anfang zurück, um die Ablaufroutine erneut zu beginnen.
Wenn sich der Betriebszustand des Motors außerhalb des mageren homogenen Ladungsbereichs (ii) befindet, so wird anschließend bei Schritt S121 eine weitere Entscheidung getroffen, ob sich der Betriebszustand des Motors im angereicherten homogenen Ladungsbereich (III) für mittlere bis höhere Motorlast und niedrigere bis höhere Motordrehzahlen der Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte für einen betriebswarmen Motor gemäß 2 befindet. Wenn der Betriebszustand des Motors oder die Motorlast und die Motordrehzahl sich im angereicherten homogenen Ladungsbereich (III) befindet, so wird bei Schritt S122 eine Einspritzimpulsbreite TaK für eine angereicherte homogene Ladungsverbrennung berechnet. Die bestimmte Menge Kraftstoff wird bei Schritt S123 in zwei Teile für eine frühe Kraftstoffeinspritzung und eine spätere Kraftstoffeinspritzung aufgeteilt, die während eines Einlasshubes entsprechend einem Teilungsverhältnis erfolgt, das durch einen Teilungsfaktor b (1 > 0) dargestellt wird. Die Einspritzimpulsbreite TaK wird in eine Impulsbreite TaK1 für eine frühe Teileinspritzung, die durch b × TaK ausgedrückt wird, und eine Impulsbreite TaK2 für eine späte Teileinspritzung, die durch (1 – b) × TaK ausgedrückt wird, aufgeteilt. Im angereicherten homogenen Ladungsbereich (III) wird die bestimmte Menge Kraftstoff weder durch eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes noch durch eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes eingespritzt, so dass folglich sowohl die Impulsbreite TaK3 für eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes als auch die Impulsbreite TaD für eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes auf 0 (Null) gesetzt werden. In der gleichen Weise wie beim mageren homogenen Ladungsbereich (II) werden die Zeitpunkte s1 und s2 für die frühe bzw. die späte Teileinspritzung, wie durch (b) in 6 gezeigt, bei Schritt S124 bestimmt. Nachdem bei Schritt S117 der Zeitpunkt s1 für die frühe Teileinspritzung abgewartet wurde, erhält die Kraftstoffeinspritzdüse 14 bei Schritt S118 einen Öffnungsimpuls zur Kraftstoffzufuhr entsprechend der Impulsbreite TaK1 für die frühe Teileinspritzung. In ähnlicher Form erhält, nachdem bei Schritt S119 der Zeitpunkt s2 für die späte Teileinspritzung abgewartet wurde, die Kraftstoffeinspritzdüse 14 bei Schritt S120 einen Öffnungsimpuls zur Kraftstoffzufuhr entsprechend der Impulsbreite TaK2 für die späte Teileinspritzung. Nach Abschluss der späten Teileinspritzung bei Schritt 120 kehrt die Ablaufdiagramm-Logik an den Anfang zurück, um die Ablaufroutine erneut zu beginnen.
Wenn die Antwort auf die Entscheidung bezüglich der angereicherten homogenen Ladungsverbrennung negativ ist, so zeigt dies an, dass der Motor entweder im angereicherten homogenen Ladungsbereich (IV) für höhere Motorlast und höhere Motordrehzahlen oder im angereicherten homogenen Ladungsbereich (V) für niedrigere Motorlast und mittlere bis höhere Motordrehzahlen arbeitet. Dann wird bei Schritt S126 eine Einspritzimpulsbreite TaK für eine angereicherte homogene Ladungsverbrennung berechnet. Im Bereich (IV) oder (V) wird die bestimmte Menge Kraftstoff auf einmal während eines Einlasshubes eingespritzt, und die Einspritzimpulsbreite TaK wird bei Schritt S127 als Einspritzimpulsbreite TaK3 für eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes verwendet. Gleichzeitig werden sowohl die Impulsbreiten TaK1 und TaK2 für eine geteilte Einspritzung als auch die Impulsbreite TaD für eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes auf 0 (Null) gesetzt. Anschließend wird bei Schritt S128 ein Zeitpunkt s4 für eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes bestimmt. Wie durch (c) in 6 gezeigt, ist der Zeitpunkt s4 für eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes vorher festgelegt. Das heißt, der Zeitpunkt s4 für eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes wird so eingestellt, dass die ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes ungefähr am Mittelpunkt des Einlasshubes beginnt. Anschließend erhält, nachdem bei Schritt S129 der Zeitpunkt s4 für eine ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes abgewartet wurde, die Kraftstoffeinspritzdüse 14 bei Schritt S130 einen Öffnungsimpuls zur Kraftstoffzufuhr entsprechend der Impulsbreite TaK3 für die ungeteilte Einspritzung während des Einlasshubes. Nach Abschluss der ungeteilten Einspritzung während des Einlasshubes kehrt die Ablaufdiagramm-Logik an den Anfang zurück, um die Ablaufroutine erneut zu beginnen.
Wenn des Weiteren die Antwort auf die Entscheidung bezüglich der Kühlwassertemperatur Tw bei Schritt S106 negativ ist, so zeigt dies an, dass die Kühlwassertemperatur Tw niedriger als der vorgegebene Wert Two, beispielsweise 80°C, ist, so dass sich der Motor 1 folglich noch in einem kalten Zustand befindet. Daraufhin wird bei Schritt S125 eine weitere Entscheidung getroffen, ob der Motor im angereicherten homogenen Ladungsbereich (A) für mittlere bis höhere Motorlast der Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte für kalten Motorlauf gemäß 3 arbeitet. Wenn der Betriebszustand des Motors oder die Motorlast und die Motordrehzahl sich im angereicherten homogenen Ladungsbereich (A) befindet, so wird mittels der Schritte S122 bis S124 und S117 bis S120 bewirkt, dass durch eine frühe und eine späte Teileinspritzung während eines Einlasshubes die bestimmten Kraftstoffmengen entsprechend den Impulsbreiten TaK1 und TaK2 für die frühe bzw. die späte Teileinspritzung zugeführt wird.
Wenn andererseits die Antwort auf die Entscheidung bezüglich des Betriebszustandes des Motors bei Schritt S125 negativ ist, so zeigt dies an, dass der Motor entweder im angereicherten homogenen Ladungsbereich (B) für niedrigere Motorlast oder im angereicherten homogenen Ladungsbereich (C) für höhere Motorlast und höhere Motordrehzahlen arbeitet. Nun wird eine bestimmte Menge Kraftstoff mittels einer ungeteilten Einspritzung während eines Einlasshubes zugeführt. Eine Einspritzimpulsbreite TaK für eine angereicherte homogene Ladungsverbrennung wird bei Schritt S126 berechnet und wird bei Schritt S127 als Impulsbreite TaK3 für eine ungeteilte Einspritzung während eines Einlasshubes verwendet. Gleichzeitig werden sowohl die Impulsbreiten TaK1 und TaK2 für eine geteilte Einspritzung als auch die Impulsbreite TaD für eine ungeteilte Einspritzung während des Verdichtungshubes auf 0 (Null) gesetzt. Nachdem bei Schritt S129 der Zeitpunkt s4 für die ungeteilte Einspritzung während eines Einlasshubes abgewartet wurde, erhält die Kraftstoffeinspritzdüse 14 bei Schritt S130 einen Öffnungsimpuls zur Kraftstoffzufuhr entsprechend der Impulsbreite TaK3 für die ungeteilte Einspritzung während eines Einlasshubes. Nach Abschluss der ungeteilten Einspritzung während eines Einlasshubes kehrt die Ablaufdiagramm-Logik an den Anfang zurück, um die Ablaufroutine erneut zu beginnen.
Bei dem Motorbetriebs-Steuerungssystem gemäß der obigen Ausführungsform wird der Mittelpunkt m zwischen den Zeitpunkten s1 und s2 für die frühe bzw. die späte Teileinspritzung vor den Mittelpunkt M eines Einlasshubes gelegt, der sich bei einem Kurbelwinkel von 90 Grad nach dem oberen Totpunkt befindet. Jeder Einspritzimpuls-Teilungsfaktor a, b und c wird auf etwa 0,5 eingestellt, wodurch eine bestimmte Menge Kraftstoff exakt in zwei Hälften für eine frühe und eine späte Einspritzung geteilt wird.
Beim Betrieb des Motorsteuerungssystems gemäß der obigen Ausführungsform der Erfindung wird unmittelbar nach dem Anlassen des Motors eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei Teile geteilt und durch eine frühe und eine späte Teileinspritzung während eines Einlasshubes eingespritzt, wie durch (b) in 6 gezeigt. Während des Leerlaufs nach dem Anspringen, während die Überwachung des Motors 1 anzeigt, dass der Motor 1 sich noch immer im kalten Betriebszustand befindet, in dem die Kühlwassertemperatur Tw im angereicherten homogenen Ladungsbereich (B) für niedrigere Motorlast und im angereicherten homogenen Ladungsbereich (C) für höhere Motorlast und höhere Motordrehzahlen niedriger als der vorgegebene Wert Two ist, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff auf einmal während eines Einlasshubes zugeführt, wie durch (c) in 6 gezeigt. Des Weiteren wird während eines kalten Betriebszustandes, wenn der Motor 1 im angereicherten homogenen Ladungsbereich (A) für mittlere bis höhere Motorlast arbeitet, eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei Schritten durch frühe und späte Teileinspritzung während eines Einlasshubes zugeführt, wie durch (b) in 6 gezeigt.
Nachdem die Kühlwassertemperatur Tw den vorgegebenen Wert Two erreicht hat, oder im warmen Motorlauf, wird eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei Teile geteilt und durch eine frühe und eine späte Teileinspritzung während eines Einlasshubes eingespritzt, wie durch (b) in 6 gezeigt, wenn der Motor 1 im mageren homogenen Ladungsbereich (II) für niedrigere bis mittlere Motorlast und niedrigere bis mittlere Motordrehzahlen oder im angereicherten homogenen Ladungsbereich (III) für mittlere bis höhere Motorlast arbeitet. Andererseits wird eine bestimmte Menge Kraftstoff mit einem Mal während eines Verdichtungshubes eingespritzt, wie durch (a) in 6 gezeigt, wenn der Motor 1 im mageren Schichtladungsbereich (I) für niedrigere Motorlast und niedrigere bis mittlere Motordrehzahlen arbeitet, oder wird während eines Einlasshubes eingespritzt, wie durch (b) in 6 gezeigt, wenn der Motor 1 im angereicherten homogenen Ladungsbereich (IV) für höhere Motorlast und höhere Motordrehzahlen oder im angereicherten homogenen Ladungsbereich (V) für niedrigere Motorlast und mittlere bis höhere Motordrehzahlen arbeitet. Des Weiteren wird, während der Motor in dem Bereich arbeitet, in dem eine bestimmte Menge Kraftstoff durch eine frühe und eine späte Teileinspritzung während eines Einlasshubes eingespritzt wird, d. h. im angereicherten homogenen Ladungsbereich (A) oder im mageren homogenen Ladungsbereich (II) oder im angereicherten homogenen Ladungsbereich (III), das AGR-Ventil 39 so betätigt, dass es Abgas, das sich in dem Abgasstrang 31 befindet, teilweise in den Einlassluftstrom gelangen lässt, der sich in der Einlassleitung 25 befindet. Das Abgas wird zurückgeführt, während der Motor 1 sich auf eine Temperatur erwärmt, die über dem vorgegebenen Wert liegt. Die Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) ist praktisch überaus gering, während der Motor mit höherer Last im angereicherten homogenen Ladungsbereich (A) und im angereicherten homogenen Ladungsbereich (III) arbeitet. Das AGR-Ventil 39 kann im höheren Lastbereich geschlossen werden, wie in 4 gezeigt.
Wenn eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei Teilen durch eine frühe und eine späte Teileinspritzung während eines Einlasshubes zugeführt wird, während der Motor 1 im angereicherten homogenen Ladungsbereich (A) im kalten Zustand arbeitet, wo die Temperatur des Kühlwassers unter dem vorgegebenen Wert liegt, so wird der Teil des Kraftstoffs, der durch die frühe Teileinspritzung eingespritzt wird, homogen im Brennraum 6 zerstäubt, wobei sich das Volumen des Brennraums 6 nach einem Abwärtshub des Kolbens 5 vergrößert, wobei vor der späten Kraftstoffeinspritzung kein Kraftstoff eingespritzt wird. Anschließend wird der Teil des Kraftstoffs, der durch die späte Teileinspritzung eingespritzt wird, so zerstäubt, dass eine homogene Verteilung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 6 erreicht wird. Infolge dessen wird die Verbrennungsgeschwindigkeit während eines Kolbenhubes, der auf einen Verdichtungshub folgt, erhöht, wodurch sich die Verbrennungsstabilität verbessert. Des Weiteren wird – weil der Mittelpunkt m zwischen den Zeitpunkten s1 und s2 für die frühe bzw. die späte Teileinspritzung vor den Mittelpunkt M eines Einlasshubes gelegt wird, selbst unter der Maßgabe, dass eine bestimmte Menge Kraftstoff durch zwei Einspritzschritte vor dem Ende eines Einlasshubes vollständig zugeführt sein muss – die frühe Teileinspritzung entsprechend auf einen Zeitpunkt gelegt, an dem der Kolben 5 eine relativ hohe Abwärtsgeschwindigkeit erreicht, wodurch ein starker Einlassluftstrom mit hoher Geschwindigkeit eintritt. Infolgedessen wird das Erreichen einer homogenen Verteilung des Kraftstoffs und das Verdampfen des Kraftstoffs deutlich beschleunigt. Des Weiteren werden die frühe und die späte Teileinspritzung als Ganzes in Richtung des Beginns eines Einlasshubes verschoben, so dass das Anhaften von durch die späte Teileinspritzung eingespritztem Kraftstoff an der Seitenwand der Zylinderbohrung 2 vermieden oder deutlich verringert wird, wenn der Kolben 5 sich dem unteren Totpunkt nähert, oder am Ende eines Einlasshubes, was für eine homogene Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum 6 immer wünschenswert ist. Des Weiteren steht vor der Zündung des Kraftstoffs eine lange Zeitspanne zur Verfügung, in der der Kraftstoff eingespritzt werden und verdampfen kann. Eine homogene Verteilung des Kraftstoffs und ein Verdampfen des Kraftstoffs erreicht man noch schneller durch Verwirbeln der Einlassluft, die durch nur einen der Einlasskanäle 12 in den Brennraum 6 eingelassen wird. Diese Effekte beeinflussen sich wechselseitig dergestalt, dass ein starker Anstieg der Verbrennungsgeschwindigkeit und eine deutliche Verkürzung der Verbrennungsdauer erreicht wird, wodurch sich sowohl die Verbrennungsstabilität als auch der spezifische Kraftstoffverbrauch verbessern.
Um den Grad der Verbesserung der Verbrennbarkeit empirisch zu belegen, wurden Messungen der Verbrennungsstabilität und der Änderungen beim spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Motors vorgenommen, dergestalt, dass, während eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei ungefähr gleiche Teile für eine frühe und eine späte Teileinspritzung geteilt wurde, der Beginn der frühen Teileinspritzung fest auf einen Zeitpunkt s1 in einer frühen Phase eines Einlasshubes gesetzt wurde und der Beginn der späten Teileinspritzung auf einen Zeitpunkt s2 gesetzt wurde, der sich innerhalb einer Zeitspanne ändert, die zwischen einem Einlasshub und einem anschließenden Verdichtungshub liegt. Das Ergebnis der Messungen ist in den 7(A) und 7(B) gezeigt.
In 7(A) ist die Koeffizientenänderung des angezeigten mittleren effektiven Drucks (Pi-Koeffizientenänderung) dargestellt. Hier wird bewiesen, dass, wenn der Zeitpunkt s1 für die frühe Teileinspritzung vorverlegt wird, die Pi-Koeftizientenänderung und der spezifische Kraftstoffverbrauch geringer werden. Genauer gesagt: Wenn der Beginn der frühen Teileinspritzung auf einen Zeitpunkt s1 gelegt wird, der vor dem Erreichen eines Kurbelwinkels von 120° nach OT in einem Auslasshub liegt, d. h. an einem Punkt im frühen bis mittleren Bereich eines Einlasshubes, so werden sowohl die Pi-Koeffizientenänderung als auch der spezifische Kraftstoffverbrauch stärker geringer als in dem Fall, wo eine bestimmte Menge Kraftstoff durch eine ungeteilte Einspritzung zugeführt wird. Die Pi-Koeffizientenänderung und der spezifische Kraftstoffverbrauch verringern sich deutlich, wenn der Zeitpunkt s2 für die späte Teileinspritzung vorverlegt wird. Dementsprechend wird die Verbrennbarkeit in einem Bereich, wo die bestimmte Menge Kraftstoff – und damit die Einspritzimpulsbreite – klein ist, wie beispielsweise in einem Bereich für geringe Motorlast und in Bereichen mit niedrigen Motordrehzahlen, noch deutlich mehr verbessert, wenn die späte Teileinspritzung so vorverlegt wird, dass sie vor einem Kurbelwinkel von 120° nach OT endet.
Wenn der Mittelpunkt eines späten Teileinspritzungszeitraums – wie in 8 zu sehen – an einen Punkt von beispielsweise einem Kurbelwinkel von 86° nach OT gesetzt wird, wo der Kolben 5 die größte Abwärtsgeschwindigkeit vor dem Mittelpunkt M eines Einlasshubes erreicht, so erfolgt die späte Teileinspritzung in einem Zustand, wo der Kolben 5 sich mit der größten Geschwindigkeit abwärts bewegt und somit der Einlassluftstrom mit der größten Geschwindigkeit eintritt, so dass Kraftstoff, der durch die späte Teileinspritzung zugeführt wird, im Brennraum 6 durch den Einlassluftstrom homogen verteilt wird, wodurch sich die Verbrennbarkeit noch deutlicher verbessert. In diesem Fall ist der Zeitpunkt s1 für die frühe Teileinspritzung auf einen Kurbelwinkel von 20° nach OT festgesetzt, und der Zeitpunkt s2 für die späte Teileinspritzung ist auf einen Kurbelwinkel von 70° nach OT festgesetzt.
Gemäß dem oben beschriebenen Motorsteuerungssystem erfolgt – während der Motor 1 sich im kalten Zustand befindet und im angereicherten homogenen Ladungsbereich (A) arbeitet – die geteilte Einspritzung auch, um eine deutliche Verbesserung der Verbrennungsstabilität zu erreichen. Folglich braucht die Menge an eingespritztem Kraftstoff nicht deutlich erhöht zu werden, selbst wenn der Motor 1 sich noch im kalten Zustand befindet, und das Kraftstoffgemisch wird ohne übermäßige Anreicherung verdampft, wodurch der Motor 1 sowohl den spezifischen Kraftstoffverbrauch als auch die Schadstoffemissionen senken kann. Infolge der deutlichen Verbesserung der Verbrennungsstabilität – da das Abgasrückführungssystem 37, selbst bei kaltem Betriebszustand des Motors 1, so betätigt wird, dass Abgase in den Brennraum 6 eingeleitet werden, wenn die Temperatur des Kühlwassers über den vorgegebenen Wert ansteigt – wird das Verdampfen des eingespritzten Kraftstoffs durch die Abgasrückführung beschleunigt und wird der spezifische Kraftstoffverbrauch durch ein Verringern der Ladungswechselverluste gesenkt. Des Weiteren wird die maximale Temperatur des Abgases gesenkt, so dass die Entstehung von Stickoxiden deutlich eingeschränkt wird.
9 zeigt eine Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte für kalten Motorlauf, die der von 2 ähnelt, die aber über dem angereicherten homogenen Ladungsbereich (III) um einen angereicherten homogenen Ladungsbereich (IV) erweitert ist. Wenn die Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte für die in den 5(A) bis 5(D) gezeigte Kraftstoffzufuhrsteuerung verwendet wird, so wird die Abgasrückführungssteuerung ausgelöst, während der Motor in dem in 4 gezeigten AGR-Bereich arbeitet, welcher den mageren Schichtladungsbereich (I), den mageren homogenen Ladungsbereich (II) und den angereicherten homogenen Ladungsbereich (III) umfasst.
10 zeigt eine Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte für kalten Motorlauf, die zweckmäßigerweise für die Steuerung der Kraftstoffzufuhr eines Ottomotors mit Direkteinspritzung ohne Schichtladungsverbrennungs-Funktion verwendet wird. Wie in 10 zu sehen, ähnelt die Kraftstoffzufuhr-Steuerungskarte der von 9, nur dass sie – während sie keinen mageren Schichtladungsbereich (I) aufweist – einen angereicherten homogenen Ladungsbereich (V) definiert, der über möglichen Motordrehzahlen liegt, in denen eine ungeteilte Einspritzung erfolgt. Diese Art von Ottomotor mit Direkteinspritzung braucht keinen Kolben mit einer Mulde im Kolbenboden, so dass folglich weniger Wärmeverluste entstehen.
Das erfindungsgemäße Motorsteuerungssystem kann zum Steuern eines Motors verwendet werden, der nicht mit einem Magergemisch arbeitet, wie beispielsweise ein Motor, der im Teillastbereich mit einem stoichiometrischen Gemisch und im Volllastbereich mit einem angereicherten Gemisch arbeitet und ein Motor, der über den gesamten Lastbereich hinweg mit einem stoichiometrischen Gemisch arbeitet. In diesen Fällen macht die geteilte Einspritzung eine Erhöhung der Kraftstoffmenge überflüssig, während sich der Motor im kalten Zustand befindet, wodurch der Motor 1 sowohl den spezifischen Kraftstoffverbrauch als auch die Schadstoffemissionen senken kann. Des Weiteren ist es nicht immer notwendig, den Magerstickoxidkatalysator 34 zu verwenden, solange der Dreiwegekatalysator 33 installiert ist.

Claims

Motorsteuerungssystem für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung, der mit einer Kraftstoffeinspritzdüse (14), die Kraftstoff direkt in einen Brennraum (6) einspritzt, und einem Motorbetriebszustands-Überwachungsmittel (44) zum Überwachen eines Motorbetriebszustandes, einschließlich der Temperatur des Motorkühlwassers, versehen ist, gekennzeichnet durch: Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsmittel zum Ausführen einer frühen und einer späten Teileinspritzung, wodurch eine bestimmte, in zwei Teile geteilte Menge Kraftstoff intermittierend während eines Einlasshubes eines Kolbens (5) in einem verbleibenden Bereich, nachdem ein Bereich höherer Motorlast und höherer Motordrehzahlen und ein Bereich niedriger Motorlast ausgeschlossen wurde, zugeführt wird, während das Motorbetriebszustands-Überwachungsmittel (44) eine Motorkühlwassertemperatur über einem zuvor festgelegten Niveau in einem angereicherten Bereich erkennt, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ > 1 beträgt und zum Steuern der Kraftstoffeinspritzdüse dergestalt, dass ein Mittelpunkt zwischen Punkten, an denen die geteilte Einspritzung jeweils beginnt, vor einem Mittelpunkt eines Einlasshubes des Kolbens (5) liegt, d. h. bei einem Kurbelwinkel von 90°.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Magerstickoxidumwandlungskatalysator (34), der in einem Abgasstrang angeordnet ist und dazu dient, den Stickoxidemissionsgehalt im Abgas bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ < 1 zu senken, wobei das Motorsteuerungsmittel den Motor so steuert, dass eine magere Schichtladungsverbrennung in diesem Bereich mit niedrigerer Motorlast und eine angereicherte homogene Ladungsverbrennung in anderen Bereichen als solchen mit niedrigerer Motorlast erfolgt.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Beginn der späten Teileinspritzung an einen Punkt gelegt ist, der im ersten oder im mittleren Abschnitt von drei etwa gleich großen Abschnitten eines Einlasshubes des Kolbens liegt.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 3, wobei das Ende der späten Teileinspritzung an einen Punkt gelegt ist, der im ersten oder im mittleren Abschnitt von drei etwa gleich großen Abschnitten eines Einlasshubes des Kolbens (5) liegt, während das Motorbetriebszustands-Überwachungsmittel (44) eine Motorkühlwassertemperatur unterhalb des vorgegebenen Niveaus in einem Bereich mit niedrigeren Motordrehzahlen erkennt.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Mittelpunkt der späten Teileinspritzung an einen Zeitpunkt gelegt ist, der vor dem Mittelpunkt eines Einlasshubes des Kolbens (5) liegt, wo der Kolben (5) eine maximale Abwärtsgeschwindigkeit erreicht.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Mittelpunkt der späten geteilten Kraftstoffeinspritzung bei kaltem Motorbetriebszustand nach dem Anlassen des Motors beginnt.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, das des Weiteren ein Abgasrückführungssystem (37, 38) aufweist, wobei das Motorsteuerungssystem das Abgasrückführungssystem veranlasst, Abgas in einen Einlassluftstrom, der in den Motor eingeleitet wird, hineinzulassen, während das Motorbetriebszustands-Überwachungsmittel (44) eine Motorkühlwassertemperatur über dem zuvor festgelegten Niveau erkennt und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich in dem angereicherten Bereich befindet.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, das des Weiteren ein Luftstromsteuerungsmittel (30) aufweist, um in dem Brennraum (6) einen Luftstrom zu erzeugen.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse (14) einen Strahlwinkel von mehr als 45° aufweist.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsmittel eine bestimmte Menge Kraftstoff in zwei ungefähr gleiche Teile für die frühe und die späte Teileinspritzung teilt.