DE69835059T2

DE69835059T2 - Selbstzündende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69835059T2
Application number: DE69835059T
Authority: DE
Inventors: Tsukasa Toyota-shi Aichi-ken Abe; Shinji Toyota-shi Aichi-ken Ikeda; Shizuo Toyota-shi Aichi-ken Sasaki; Takekazu Toyota-shi Aichi-ken Ito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2018-09-15
Also published as: US6142119A; JPH1193748A; DE69835059D1; EP0907016B1; JP3092552B2; EP0907016A3; EP0907016A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine selbstzündende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder Anspruch 2.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
In der Vergangenheit wurde bei einer internen Verbrennungskraftmaschine, z.B. einem Dieselmotor, die Erzeugung von NOx durch Verbinden des Motorabgaskanals und des Motoransaugkanals mittels eines Abgasrückführ-(EGR) Kanals unterdrückt, sodass eine Rückführung des Abgases, d.h., des EGR-Gases, in den Motoransaugkanal durch den EGR-Kanal bewirkt wurde. In diesem Fall weist das EGR-Gas eine relativ hohe spezifische Wärme auf und kann daher eine große Wärmemenge absorbieren, sodass, je größer die EGR-Gasmenge ist, d.h., je größer das EGR-Mengenverhältnis (EGR-Gasmenge/(EGR-Gasmenge + Ansaugluftmenge) ist, um so niedriger die Verbrennungstemperatur in dem Motoransaugkanal ist. Wenn die Verbrennungstemperatur abnimmt, nimmt die erzeugte NOx-Menge ab, sodass, je höher die EGR- Verhältnismenge ist, um so niedriger die erzeugte NOx-Menge ist.
Auf diese Weise wurde in der Vergangenheit bei der höheren EGR-Gasverhältnismenge die geringere NOx-Menge erzeugt. Wenn jedoch die EGR-Verhältnismenge zunimmt, nimmt die erzeugte Rußmenge, d.h., der Rauch, steil zu, wenn die EGR-Verhältnismenge eine bestimmte Grenze überschreitet. Diesbezüglich wurde in der Vergangenheit angenommen, dass, wenn die EGR-Verhältnismenge erhöht wurde, der Rauch ohne eine Grenze zunahm. Es wurde daher angenommen, dass die EGR-Verhältnismenge, bei der die steile Zunahme des Rauchs begann, die maximal mögliche Grenze der EGR-Verhältnismenge ist.
In der Vergangenheit wurde daher die EGR-Verhältnismenge in einem die maximal erlaubte Grenze nicht überschreitenden Bereich eingestellt (z.B. siehe japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 4-334750). Die maximal erlaubte Grenze der EGR-Verhältnismenge ist jedoch entsprechend der Motorart und dem Kraftstoff unterschiedlich und liegt bei etwa 30% bis 50%. Entsprechend wurde bei üblichen Dieselmotoren die EGR-Verhältnismenge maximal bei 30% bis 50% eingestellt.
Da in der Vergangenheit angenommen wurde, dass eine maximal erlaubte Grenze für die EGR-Verhältnismenge bestand, wurde in der Vergangenheit die EGR-Verhältnismenge so eingestellt, dass die erzeugte NOx-Menge und Rauchmenge innerhalb einem die maximal erlaubte Grenze nicht überschreitenden Bereich so klein wie möglich wurde. Auch wenn die EGR-Verhältnismenge auf diese Weise eingestellt wird, sodass die erzeugte NOx-Menge und Rauchmenge so klein wie möglich wird, bestehen jedoch Grenzen hinsichtlich der Verminderung der erzeugten NOx-Menge und des Rauchs. Somit wurden praktisch beträchtliche NO-Mengen und Rauch weiterhin erzeugt.
Es wurde jedoch in Verfahrensversuchen hinsichtlich der Verbrennung in Dieselmotoren festgestellt, dass, wenn die EGR-Verhältnismenge größer als die maximal erlaubte Grenze eingestellt wurde, der Rauch steil anstieg, wie oben erläutert, dass dann jedoch eine Spitze der erzeugten Rauchmenge eintrat, und wenn einmal diese Spitze überwunden wurde, wenn die EGR-Verhältnismenge weiter gesteigert wurde, der Rauch scharf abnahm, und dass, wenn die EGR-Verhältnismenge mindestens 70% beim Leerlauf des Motors betrug, oder wenn das EGR-Gas zwangsgekühlt wurde, und die EGR-Verhältnismenge mindestens auf etwa 55% eingestellt wurde, der Rauch fast vollständig verschwand, d.h., es wurde fast kein Ruß erzeugt. Weiter wurde festgestellt, dass die erzeugte NOx-Menge zu diesem Zeitpunkt äußerst gering war. Weitere Studien auf der Grundlage dieser Feststellung zur Bestimmung der Gründe, warum kein Ruß erzeugt wurde, führten zu einem neuen Verbrennungssystem, das in der Lage war, gleichzeitig die Rußmenge und das NOx mehr als jemals vorher zu vermindern. Dieses neue Verbrennungssystem wird im Einzelnen weiter unten beschrieben, beruht jedoch kurz gesagt auf der Idee, das Wachstum von Kohlenwasserstoffen in Ruß bei einem Zustand, bevor die Kohlenwasserstoffe zu Ruß anwachsen, zu unterbrechen.
D.h., man fand aus wiederholten Versuchen und Untersuchungen, dass das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zum Ruß in einem Zustand unterbrochen wird, wenn die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Verbrennungskammer niedriger als eine bestimmte Temperatur sind, und die Kohlenwasserstoffe plötzlich zu Ruß anwachsen, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases höher als eine bestimmte Temperatur sind. In diesem Fall werden die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in hohem Maße durch die Wärmeabsorptionswirkung des Gases rings um den Kraftstoff zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoffs beeinflusst. Durch Einstellen der durch das den Kraftstoff umgebenden Gases absorbierten Wärmemenge entsprechend der bei der Verbrennung des Kraftstoffs erzeugten Wärmemenge ist es möglich, die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases zu steuern.
Wenn die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Verbrennungskammer auf weniger als die Temperatur vermindert werden, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoffe halbwegs unterbrochen wird, wird kein Ruß mehr erzeugt. Die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Verbrennungskammer kann auf weniger als die Temperatur vermindert werden, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoffe halbwegs unterbrochen wird, indem man die absorbierte Wärmemenge durch das den Kraftstoff umgebenden Gases einstellt. Andererseits können die beim Wachstum unter brochenen Kohlewasserstoffe, bevor sie Ruß werden, leicht durch eine Nachbehandlung mittels eines Oxidationskatalysators entfernt werden. Dies ist die grundlegende Überlegung des neuen Verbrennungssystems.
Bei üblichen selbstzündenden Brennkraftmaschinen ist jedoch, wenn das Luftkraftstoffverhältnis gering ist, eine Fehlverbrennung unabdingbar und führt schließlich zu Fehlzündungen. Das Gleiche trifft bei diesem neuen Verbrennungssystem zu. Wenn das Luftkraftstoffverhältnis geringer eingestellt wird, tritt unabdingbar eine Fehlverbrennung auf und führt letztendlich zu Fehlzündungen des Motors. Bei der selbstzündenden Brennkraftmaschine wurden keine Maßnahmen bis jetzt unternommen, um eine derartige Fehlverbrennung zu vermeiden. „Fehlverbrennung" bedeutet hier einen Zustand, bei dem Schwankungen des Ausgangsdrehmoments des Motors oder Schwankungen bei der Verbrennung größer als ein erlaubter Wert werden. Der schlechteste Fall der Fehlverbrennung ist eine Fehlzündung.
Aus der JP 08 114136 A sind Maßnahmen zum Verbessern des Fahrverhaltens eines Fahrzeugs bekannt, bei denen eine Drehzahländerungen durch eine Verteilung der Verbrennung und durch Fehlzündung unterbunden wird. In dieser Druckschrift wird der Motor so gesteuert, dass die Verbrennung stabilisiert wird.
Weiter beschreibt die EP 0 781 912 A2 eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit einer Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung, ob eine Fehlverbrennung auftritt oder nicht, und eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Luftkraftstoffverhält nisses so, dass die Verbrennung stabil wird, wenn die Fehlverbrennung auftritt, wobei die Steuereinrichtung das Luftkraftstoffverhältnis größer einstellt, wenn die Fehlverbrennung auftritt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine selbstzündende Brennkraftmaschine zu schaffen, die in der Lage ist, den Betriebszustand auf einen fehlverbrennungsfreien Betriebszustand zu steuern, wenn eine Fehlverbrennung auftritt.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung, ob eine Fehlverbrennung auftritt oder nicht, und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung entweder des Luftkraftstoffverhältnisses oder des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes geschaffen, sodass die Verbrennung ordnungsgemäß wird, wenn eine Fehlverbrennung auftritt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Gesamtansicht einer selbstzündenden Brennkraftmaschine;
2 eine Darstellung der erzeugten Ruß- und NOx-Menge;
3A und 3B Darstellungen des Verbrennungsdrucks;
4 eine Ansicht eines Kraftstoffmoleküls;
5 eine Darstellung der Beziehung zwischen der eingespritzten Kraftstoffmenge und der Menge des Mischgases;
6 eine Darstellung eines ersten Betriebsbereichs I und eines zweiten Betriebsbereichs II;
7 eine Ansicht der Beziehung zwischen ΔL(N) und der Motordrehzahl N;
8A und 8B Ansichten des Ausgangs des Luftkraftstoffverhältnissensors usw.;
9 eine Darstellung des Öffnungsgrades einer Drosselklappe usw.;
10 eine Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens der Steuerung einer ersten Grenze X(N);
11A bis 11C Ansichten von K(T)₁, K(T)₂ und K(N);
12A und 12B Ansichten des Luftkraftstoffverhältnisses in dem ersten Betriebsbereich I;
13A bis 13D Ansichten einer Tabelle eines Soll-Luftkraftstoffverhältnisses;
14A bis 14D Ansichten einer Tabelle eines Soll-Öffnungsgrades einer Drosselklappe;
15A bis 15D Ansichten eines Soll-Grundöffnungsgrades eines EGR-Steuerventils;
16 eine Darstellung eines Luftkraftstoffverhältnisses bei einer zweiten Verbrennung usw.;
17A und 17B Ansichten eines Soll-Öffnungsgrades einer Drosselklappe usw.;
18 eine Ansicht eines Verbrennungsdrucks usw.;
19 eine Ansicht eines Programms zur Erfassung der Fehlverbrennung;
20 ein Fließbild der Steuerung eines Niedrig-Temperaturverbrennungsbereichs;
21 ein Fließbild der Steuerung eines Motorbetriebs;
22 eine Ansicht einer Tabelle eines Soll-Einspritzzeitpunktbeginns;
23 ein Fließbild einer Einspritzsteuerung;
24 ein Fließbild einer Steuerung der Fehlverbrennung;
25 ein Fließbild einer EGR-Steuerung;
26 ein Fließbild einer weiteren Ausführungsform der Steuerung der Fehlverbrennung;
27 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Programms zur Erfassung einer Fehlverbrennung; und
28 eine weitere Ausführungsform eines Programms zur Erfassung einer Fehlverbrennung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Ansicht der vorliegenden Erfindung bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Selbstzündung.
In 1 ist ein Motorgehäuse 1, ein Zylinderblock 2, ein Zylinderkopf 3, ein Kolben 4, eine Verbrennungskammer 5, eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6, ein Ansaugventil 7, eine Ansaugöffnung 8, ein Auslassventil 9 und eine Auslassöffnung 10 dargestellt. Die Einlassöffnung 8 ist über ein entsprechendes Ansaugrohr 11 mit dem Druckausgleichsbehälter 12 verbunden. Der Druckausgleichsbehälter 12 ist über einen Ansaugkanal 13 mit einem Luftfilter 14 verbunden. Eine Drosselklappe 16 wird von einem elektrischen Motor angetrieben, der an dem Ansaugkanal 13 angeordnet ist. Andererseits ist die Auslassöffnung 10 über einen Abgaskrümmer 17 und ein Abgasrohr 18 mit einem katalytischen Wandler 20 mit einem Katalysator 19, der eine Oxidationswirkung aufweist, verbunden. Ein Luftkraftstoffverhältnissensor 21 ist in dem Abgaskrümmer 17 angeordnet.
Der Abgaskrümmer 17 und der Druckausgleichsbehälter 12 sind miteinander über einen EGR-Kanal 22 verbunden. Ein elektrisch gesteuertes EGR-Steuerventil 23 ist in dem EGR-Kanal 22 angeordnet. Weiter ist eine Kühleinrichtung 24 zum Kühlen des durch den EGR-Kanal 22 strömenden EGR-Gases rings um den EGR-Kanal 22 vorgesehen. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform wird Motorkühlwasser zu der Kühleinrichtung 24 geleitet, wobei das Motorkühlwasser zum Kühlen des EGR-Gases verwendet wird.
Andererseits ist jede Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 über ein Kraftstoffzuführrohr 25 mit dem Kraftstoffvorrat verbunden, d. h., einem Common Rail 26. Der Kraftstoff wird dem Common Rail 26 von einer elektrisch gesteuerten variablen Kraftstoffförderpumpe 27 zugeführt. Der in das Common Rail 26 zugeführte Kraftstoff wird durch jedes Kraftstoffzuführrohr 25 zu den Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 6 zugeführt. Ein Kraftstoffdrucksensor 28 zur Erfassung des Kraftstoffdrucks in dem Common Rail 26 ist an dem Common Rail 26 angebracht. Die Fördermenge der Kraftstoffpumpe 27 wird auf der Grundlage des Ausgangssignals des Kraftstoffdrucksensors 28 so gesteuert, dass der Kraftstoffdruck in dem Common Rail 26 bei einem Soll-Kraftstoffdruck liegt.
Die elektronische Steuereinheit 30 umfasst einen digitalen Rechner und ist mit einem ROM (Nur-Lesespeicher) 32, einem RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) 33, einer CPU (Mikroprozessor) 34, einem Eingang 35, und einem Ausgang 36 versehen, die miteinander mittels eines bidirektionalen Busses 31 verbunden sind. Das Ausgangssignal des Luftkraftstoffverhältnissensors 21 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 dem Eingang 35 zugeführt. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 28 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 dem Eingang 35 zugeführt. Das Motorgehäuse 1 ist mit einem Temperatursensor 29 zur Erfassung der Motorkühlwassertemperatur versehen. Das Ausgangssignal dieses Temperatursensors 29 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 dem Eingang 35 zugeführt. Ein Temperatursensor 43 zur Erfassung der Temperatur des Mischgases der Ansaugluft und des EGR-Gases ist an mindestens einem der Ansaugrohre 11 befestigt. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 43 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 dem Eingang 35 zugeführt. Ein Sauerstoffkonzentrationssensor 44 ist an mindestens einem der Ansaugrohre 11 angeordnet. Das Ausgangssignal des Sauerstoffkonzentrationssensors 44 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 dem Eingang 35 zugeführt.
Ein Temperatursensor 46 zur Erfassung der Temperatur des durch den Katalysator 19 strömenden Abgases ist an dem Abgasrohr 45 stromabwärts vom Katalysator 19 angeordnet. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 46 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 dem Eingang 35 zugeführt. Ein Verbrennungsdrucksensor 47 zur Erfassung des Drucks im Inneren der Verbrennungskammer 5 ist in der Verbrennungskammer 5 angeordnet. Das Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors 47 ist mit dem Eingangsanschluss I des Spitzenhalteschaltkreises 48 verbunden. Der Ausgangsanschluss O des Spitzenhalteschaltkreises 48 ist über einen entsprechenden AD-Wandler 37 mit dem Eingang 35 verbunden. Weiter ist zur Erfassung eines Ausgangsdrehmoments des Motors ein Drehmomentsensor 50 an der Kurbelwelle 49 angebracht. Das Ausgangssignal des Drehmomentsensors 50 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 dem Eingang 35 zugeführt.
Das Fahrpedal 40 ist mit einem Lastsensor 41 zur Erzeugung einer dem Neigungsbetrag L des Fahrpedals 40 proportionalen Ausgangsspannung verbunden. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 dem Eingang 35 zugeführt. Weiter ist der Eingang 35 mit einem Kurbelwellenwinkelsensor 42 zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses verbunden, jedes Mal, wenn sich die Kurbelwelle um beispielsweise 30° dreht. Andererseits ist der Ausgang 36 über einen entsprechenden Treiberschaltkreis 38 mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 46, einem Elektromotor 15, einem EGR-Steuerventil 23, der Kraftstoffpumpe 27 und einem Rücksetzeingangsanschluss R des Spitzehalteschaltkreises 48 verbunden.
2 zeigt ein Beispiel eines Versuchs zur Darstellung der Änderungen des Ausgangsdrehmoments und der Änderungen der Mengen von ausgegebenem Rauch, HC, CO und NOx, wenn sich das Luftkraftstoffverhältnis A/F (Abszisse in 2) durch Ändern des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16 und der EGR-Verhältnismenge zum Zeitpunkt des Motorniederlastbetriebs ändern. Wie man aus 2 sieht, wird mit diesem Versuch die EGR-Verhältnismenge um so größer, je größer das Luftkraftstoffverhältnis A/F wird. Wenn es unter das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis (= 14,6) abnimmt, wird die EGR-Verhältnismenge größer als 70%.
Wie in 2 gezeigt, beginnt die erzeugte Rauchmenge zuzunehmen, wenn man die EGR-Verhältnismenge zum Vermindern des Luftkraftstoffverhältnisses A/F erhöht, wenn die EGR-Verhältnismenge nahe bei 50% liegt und das Luftkraftstoffverhältnis A/F 30 Grad wird. Wenn dann die EGR-Verhältnismenge weiter erhöht wird, und das Luftkraftstoffverhältnis A/F vermindert wird, nimmt die erzeugte Rauchmenge steil zu und erreicht einen Spitzenwert. Wenn darauf die EGR-Verhältnismenge weiter erhöht wird, und das Luftkraftstoffverhältnis A/F vermindert wird, nimmt der Rauch steil ab. Wenn die EGR-Verhältnismenge größer als 70% wird und das Luftkraftstoffverhältnis A/F nahe 15,0 wird, wird die erzeugte Rauchmenge im Wesentlichen Null. D.h., es wird fast kein Rauch mehr erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt nimmt das Ausgangsdrehmoment des Motors etwas ab und die erzeugte NOx-Menge wird entscheidend geringer. Andererseits beginnt zu diesem Zeitpunkt die erzeugte HC-Menge und CO-Menge zuzunehmen.
3A zeigt die Änderungen des Kompressionsdrucks in der Verbrennungskammer 5, wenn die erzeugte Rauchmenge in der Nähe eines Luftkraftstoffverhältnisses A/F von 21 am größten ist. 3B zeigt die Änderungen des Kompressionsdrucks in der Verbrennungskammer 5, wenn die erzeugte Rauchmenge in der Nähe eines Luftkraft stoffverhältnisses A/F von 18 im Wesentlichen Null ist. Wie man aus dem Vergleich der 3A und 3B sieht, ist der Verbrennungsdruck im Fall von 3B geringer, wo die erzeugte Rauchmenge im Wesentlichen Null ist, als in dem in 3A gezeigten Fall, wo die erzeugte Rauchmenge groß ist.
Aus den Ergebnissen des Versuchs von 2 und den 3A und 3B kann man folgendes feststellen. D.h., erstens, wenn das Luftkraftstoffverhältnis A/F kleiner als 15,0 und die erzeugte Rauchmenge im Wesentlichen Null ist, nimmt die erzeugte NOx-Menge entscheidend ab, wie in 2 gezeigt. Die Tatsache, dass die erzeugte NOx-Menge abnimmt, zeigt, dass die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 abnimmt. Man kann daher feststellen, dass, wenn fast kein Ruß erzeugt wird, die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 abnimmt. Gleiches kann man aus den 3A und 3B feststellen. D.h., in dem in 3B gezeigten Zustand, in dem fast kein Ruß erzeugt wird, wird der Verbrennungsdruck niedriger, sodass die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 zu diesem Zeitpunkt niedriger wird.
Zweitens, wenn die erzeugte Rauchmenge, d.h., die erzeugte Rußmenge, im Wesentlichen Null wird, nehmen, wie in 2 gezeigt, die abgegebenen HC-Mengen und CO-Mengen zu. D.h., dass die Kohlenwasserstoffe abgegeben werden, ohne in Ruß umgewandelt zu werden. D.h., die gradkettigen Kohlenwasserstoffe und die im Kraftstoff enthaltenden aromatischen Kohlenwasserstoffe zerfallen, wie in 4 gezeigt, wenn die Temperatur in einem sauerstoffarmen Zustand zunimmt, was zur Bil dung eines Vorläufers von Ruß führt. Im Folgenden wird hauptsächlich aus festen Kohlenstoffatomen bestehender Ruß erzeugt. In diesem Fall ist der tatsächliche Vorgang der Rußerzeugung kompliziert. Es ist nicht klar, wie der Vorläufer des Ruß erzeugt wird, jedoch wachsen in jedem Fall die Kohlenwasserstoffe in 4 durch den Rußvorläufer zu Ruß. Wenn daher, wie oben erläutert, die erzeugte Rußmenge im Wesentlichen Null wird, nehmen die abgegebenen HC- und CO-Mengen zu, wie in 2 gezeigt, wobei das HC zu diesem Zeitpunkt ein Rußvorläufer oder Kohlenwasserstoffe davor darstellen.
Fasst man diese Überlegungen auf der Grundlage der Versuchsergebnisse von 2 und 3A und 3B zusammen, so kann man feststellen, dass, wenn die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 niedrig ist, die erzeugte Rußmenge im Wesentlichen Null wird. Hierbei wird ein Rußvorgänger oder Kohlenwasserstoffe davor von der Verbrennungskammer 5 ausgegeben. Genauere Versuche und Untersuchungen wurden diesbezüglich durchgeführt. Man hat dabei festgestellt, dass, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases rings um den Kraftstoff in der Verbrennungskammer 5 unter einer bestimmten Temperatur liegen, der Rußwachstumsvorgang in der Mitte unterbrochen wird, d.h., es wird kein Ruß erzeugt, und das, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung in der Verbrennungskammer 5 höher als eine bestimmte Temperatur sind, Ruß erzeugt wird.
Die Temperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung ändert sich, wenn die Kohlenwasserstofferzeugung den Zustand eines Rußvorläufers unterbrochen wird, d.h., o berhalb der bestimmten Temperatur, in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie z.B. der Kraftstoffart, des Luftkraftstoffverhältnisses und des Kompressionsverhältnisses, sodass man nicht den Grad bestimmen kann, jedoch hängt diese bestimmte Temperatur stark mit der erzeugten NOx-Menge zusammen. Daher kann diese bestimmte Temperatur bis zu einem gewissen Grad durch die erzeugte NOx-Menge definiert werden. D.h., je größer die EGR-Verhältnismenge ist, um so niedriger ist die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung und um so niedriger ist die erzeugte NOx-Menge. Wenn zu diesem Zeitpunkt die erzeugte NOx-Menge etwa 10ppm oder weniger wird, wird fast kein Ruß mehr erzeugt. Die obige bestimmte Temperatur entspricht im Wesentlichen der Temperatur, wenn die erzeugte NOx-Menge 10ppm oder weniger wird.
Wenn einmal Ruß erzeugt wurde, ist es unmöglich, ihn mittels einer Nachbehandlung unter Verwendung eines Oxidationskatalysators usw. zu entfernen. Dagegen können ein Rußvorläufer oder Kohlenwasserstoffe in einen Zustand davor leicht mittels einer Nachbehandlung unter Verwendung eines Oxidationskatalysators usw. entfernt werden. Hinsichtlich der Nachbehandlung mittels eines Oxidationskatalysators usw. besteht ein äußerst großer Unterschied dazwischen, ob die Kohlenwasserstoffe von der Verbrennungskammer 5 in Form eines Rußvorläufers oder einem Zustand davor oder von der Verbrennungskammer 5 in Form von Ruß ausgegeben werden. Dieses neue in der Erfindung verwendete Verbrennungssystem basiert auf der Idee, die Kohlenwasserstoffe aus der Verbrennungskammer 5 in Form eines Rußvorläufers oder einem Zustand davor auszugeben, ohne dass in der Verbrennungskammer 5 Ruß erzeugt wird, und die Kohlenwasserstoffe mittels eines Oxidationskatalysators usw. zu oxidieren.
Um das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zu unterbrechen, bevor Ruß erzeugt wird, ist es notwendig, die Temperaturen des Kraftstoffs und des umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Verbrennungskammer 5 auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird, zu vermindern. In diesem Fall hat man festgestellt, dass die Wärmeabsorption des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoffs einen äußerst großen Einfluss auf die Temperaturverminderung des Kraftstoffs und des umgebenden Gases hat.
D.h., wenn um den Kraftstoff nur Luft angeordnet ist, reagiert der verdampfte Kraftstoff unmittelbar mit dem Sauerstoff in der Luft und verbrennt. Die Temperatur der von dem Kraftstoff entfernten Luft nimmt in diesem Fall nicht stark zu. Nur die Temperatur rings um den Kraftstoff wird örtlich äußerst hoch. D.h., die vom Kraftstoff entfernte Luft absorbiert keine Verbrennungswärme des Kraftstoffs. Da die Verbrennungstemperatur örtlich äußerst hoch wird, erzeugen die unverbrannten Kohlenwasserstoffe aufgrund der Verbrennungswärme Ruß.
Wenn Kraftstoff sich in einem Gasgemisch mit einer großen Menge Inertgas und einer kleinen Menge Luft befindet, ist die Situation etwas unterschiedlich. In diesem Fall dispergiert der verdampfte Kraftstoff in die Umgebung und reagiert mit dem im Inertgas ver mischtem Sauerstoff und verbrennt. Die Verbrennungswärme wird mittels des umgebenden Inertgases absorbiert, sodass die Verbrennungstemperatur nicht mehr so stark ansteigt. D.h., es wird möglich, die Verbrennungstemperatur niedrig zu halten. D.h., das Vorhandensein des Inertgases spielt eine wichtige Rolle bei der Absenkung der Verbrennungstemperatur. Es ist möglich, die Verbrennungstemperatur durch die Wärmeabsorption des Inertgases niedrig zu halten.
Um die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases bei einer Temperatur niedriger als die Temperatur zu halten, bei der Ruß erzeugt wird, ist eine Inertgasmenge erforderlich, die ausreicht, um die Wärmemenge ausreichend zum Absenken der Temperaturen zu absorbieren. Wenn die Kraftstoffmenge daher zunimmt, muss die Inertgasmenge ebenfalls zunehmen. D.h., je größer in diesem Falle die spezifische Wärme des Inertgases ist, um so größer ist die Absorptionswirkung. Das Inertgas ist vorzugsweise ein Gas mit einer großen spezifischen Wärme. Diesbezüglich kann man feststellen, da CO₂ und EGR relativ große spezifische Wärmen aufweisen, dass bevorzugt EGR-Gas als Inertgas verwendet werden kann.
5 zeigt die Menge einer Gasmischung aus EGR-Gas und Luft, das Verhältnis der in dem Gasgemisch enthaltenen Luft und das Verhältnis des in der Gasmischung enthaltenen EGR-Gases, die erforderlich sind, um die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung niedriger als die Temperatur einzustellen, bei der Ruß erzeugt wird, wenn man EGR-Gas als Inertgas verwendet. In 5 zeigt die Ordinate die gesamte in die Verbrennungskammer 5 angesaugte Gasmenge. Die gestrichelte Linie Y zeigt die angesaugte Gasmenge, die in die Verbrennungskammer 5 gelangen kann, wenn keine Aufladung durchgeführt wird. Weiter zeigt die Abszisse die erforderliche Last. Z1 zeigt den Niedriglastbetriebsbereich.
In 5 zeigt das Luftverhältnis, d.h., die Luftmenge in dem Gasgemisch, die notwendig ist, um eine vollständige Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs zu bewirken. D.h., im Fall von 5 wird die Luftmenge und die eingespritzte Kraftstoffmenge das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis. Andererseits ist in 5 das Verhältnis des EGR-Gases, d.h., die EGR-Gasmenge in dem Gasgemisch eine minimale Menge von EGR-Gas, die erforderlich ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases bei einer Temperatur zu halten, die niedriger als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird. Die EGR-Gasmenge wird in Form der EGR-Verhältnismenge ausgedrückt und liegt etwa bei mindestens 70%. D.h., wenn die gesamte in die Verbrennungskammer 5 angesaugte Gasmenge bei der ausgezogenen Linie X in 5 liegt, und das Verhältnis zwischen der Luftmenge und der EGR-Menge in der gesamten angesaugten Gasmenge X auf das Verhältnis in 5 eingestellt wird, werden die Temperaturen des Kraftstoffs und des umgebenden Gases niedriger als die Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird, und somit wird kein Ruß mehr erzeugt. Die zu dieser Zeit erzeugte NOx-Menge liegt bei etwa 10ppm oder niedriger, sodass die erzeugte NOx-Menge äußerst gering wird.
Wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge zunimmt, nimmt die in der Verbrennungskammer erzeugte Wärmemenge zu dieser Zeit zu, sodass es erforderlich ist, um die Temperaturen des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases bei einer Temperatur niedriger als die Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird, zu halten, die von dem EGR-Gas absorbierte Wärmemenge zu erhöhen. Daher muss, wie in 5 gezeigt, die EGR-Gasmenge erhöht werden, um so mehr Kraftstoff eingespritzt wird. D.h., die EGR-Gasmenge muss erhöht werden, wenn die erforderliche Last höher wird.
Andererseits überschreitet in der Lastzone Z2 von 5 die gesamte zur Unterdrückung der Rußerzeugung erforderliche angesaugte Gasmenge X die gesamte angesaugte Gasmenge Y, die angesaugt werden kann. In diesem Fall ist es daher notwendig, um die gesamte angesaugte Gasmenge X, die erforderlich ist, um die Rußerzeugung in der Verbrennungskammer zu unterdrücken, zuzuführen, sowohl das EGR-Gas als auch das angesaugte Gas oder das EGR-Gas aufzuladen oder zu komprimieren. Wenn kein Aufladen oder Komprimieren des EGR-Gases usw. durchgeführt wird, entspricht in der Lastzone Z2 die gesamte angesaugte Gasmenge X der gesamten angesaugten Gasmenge Y, die angesaugt werden kann. Um in diesem Fall daher eine Rußerzeugung zu verhindern, wird die Luftmenge ein wenig vermindert, um die EGR-Gasmenge zu erhöhen, und der Kraftstoff wird in einem Zustand verbrannt, bei dem das Luftkraftstoffverhältnis fett ist.
Wie oben erläutert, zeigt 5 den Fall der Verbrennung des Kraftstoffs bei dem stöchiometrischen Luft kraftstoffverhältnis. Auch wenn die Luftmenge im Niedriglastbereich Z1 von 5 kleiner als die in 5 gezeigte Luftmenge ist, d.h., auch wenn das Luftkraftstoffverhältnis fett eingestellt wird, ist es möglich, die Rußerzeugung zu unterbrechen und die erzeugte NOx-Menge bei etwa 10ppm oder niedriger einzustellen. In dem in 5 gezeigten Niedriglastbereich Z2 ist es möglich, auch wenn die Luftmenge größer als die in 5 gezeigte Luftmenge ist, d.h., der Mittelwert des Luftkraftstoffverhältnisses mager ist, die Rußerzeugung zu unterbrechen und die erzeugte NOx-Menge bei 10ppm oder niedriger einzustellen.
D.h., wenn das Luftkraftstoffverhältnis fett eingestellt wird, wird die Kraftstoffmenge zu groß, da jedoch die Kraftstofftemperatur auf eine niedrige Temperatur eingestellt wird, wandelt sich der Überschusskraftstoff nicht in Ruß um, sodass kein Ruß erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird nur eine äußerst geringe NOx-Menge erzeugt. Wenn andererseits das mittlere Luftkraftstoffverhältnis mager ist, oder wenn das Luftkraftstoffverhältnis das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis ist, wird eine geringe Menge Ruß erzeugt, wenn die Verbrennungstemperatur höher wird, jedoch wird die Verbrennungstemperatur gemäß der Erfindung bei einer niedrigen Temperatur gehalten, sodass kein Ruß erzeugt wird. Dabei wird nur eine äußerst geringe Menge NOx-Menge erzeugt.
Auf diese Weise wird bei dem Motor im niedrigen Lastbereich Z1 unabhängig vom Luftkraftstoffverhältnis, d.h., unabhängig davon, ob das Luftkraftstoffverhältnis fett oder das stöchiometrische Luftkraftstoffver hältnis oder das mittlere Luftkraftstoffverhältnis mager ist, kein Ruß erzeugt, und die erzeugte NOx-Menge wird äußerst gering. Hinsichtlich der Verbesserung des Kraftstoffwirkungsgrades kann man jedoch feststellen, dass man es bevorzugt, das mittlere Luftkraftstoffverhältnis mager einzustellen.
Es ist jedoch nur möglich, die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases bei der Verbrennung in der Verbrennungskammer niedriger als die Temperatur einzustellen, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zum Zeitpunkt eines relativ niedrigen Lastbetriebs unterbrochen wird, bei der die durch die Verbrennung erzeugte Wärme gering ist. Wenn gemäß der Erfindung die Motorlast relativ gering ist, wird die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases niedriger als die Temperatur gehalten, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoffe unterbrochen wird und die erste Verbrennung, d.h. die Niedrigtemperaturverbrennung wird durchgeführt. Wenn die Motorlast relativ hoch ist, wird die zweite Verbrennung, d.h., die übliche normale Verbrennung durchgeführt. Es soll darauf hingewiesen werden, dass die erste Verbrennung, d.h. die Niedrigtemperaturverbrennung, wie aus der Beschreibung bis hierher ersichtlich ist, eine Verbrennung definiert, bei der die Menge des Inertgases in der Verbrennungskammer größer als die Menge des Inertgases ist, bei der die Menge des erzeugten Rußes einen Spitzenwert erreicht, und bei der fast kein Ruß erzeugt wird, während bei der zweiten Verbrennung, d.h., der üblichen normalen durchgeführten Verbrennung, eine Verbrennung definiert wird, bei der die Inertgasmenge in der Verbrennungskammer kleiner als die Inertgasmen ge ist, bei der die Menge des erzeugten Rußes einen Spitzenwert erreicht.
6 zeigt einen ersten Betriebsbereich I für die erste Verbrennung, d.h., die Niedrigtemperaturverbrennung und einen zweiten Betriebsbereich II für die zweite Verbrennung, d.h., die Verbrennung nach dem üblichen Verbrennungsverfahren. Es soll darauf hingewiesen werden, dass in 6 die Abszisse L den Neigungsbetrag des Fahrpedals 40 darstellt, d.h., die erforderliche Last, und die Ordinate N die Motordrehzahl darstellt. In 6 zeigt weiter 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. Die Änderung der Betriebsbereiche von dem ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II wird auf der Grundlage der ersten Grenze X(N) bestimmt, während die Änderung der Betriebsbereiche von dem zweiten Betriebsbereich II zum ersten Betriebsbereich I auf der Grundlage der zweiten Grenze Y(N) bestimmt wird.
D.h., wenn die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, wenn sich der Motor in dem ersten Betriebsbereich I befindet, wenn die erforderliche Last L die erste Grenze X(N) überschreitet, die eine Funktion der Motordrehzahl N ist, wird bestimmt, dass der Betriebsbereich zum zweiten Betriebsbereich II verschoben werden muss, und die Verbrennung mittels des üblichen Verbrennungsverfahrens durchgeführt wird. Wenn die erforderliche Last L niedriger als die zweite Grenze Y(N) wird, die eine Funktion der Motordrehzahl N ist, wird bestimmt, dass der Betriebsbereich zum ersten Betriebsbereich I verschoben werden muss, und die Niedrigtemperaturverbrennung erneut durchgeführt wird.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung liegt die zweite Grenze Y(N) auf der Niedriglastseite von der ersten Grenze X(N) um genau ΔL(N). Wie in 6 und 7 gezeigt, ist ΔL(N) eine Funktion der Motordrehzahl N. ΔL(N) wird um so kleiner, je höher die Motordrehzahl NOx wird.
Wenn die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, wenn sich der Motor im ersten Betriebsbereich I befindet, wird fast kein Ruß erzeugt, jedoch werden stattdessen unverbrannte Kohlenwasserstoffe aus der Verbrennungskammer 5 in Form eines Rußvorläufers oder in einem Zustand davor ausgegeben. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Katalysator 19 mit der Oxidationswirkung aktiviert wird, können die unverbrannten von der Verbrennungskammer 5 ausgegebenen Kohlenwasserstoffe mittels des Katalysators 19 oxidiert werden. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Katalysator 19 nicht aktiviert ist, können die unverbrannten Kohlewasserstoffe jedoch nicht mittels des Katalysators 19 oxidiert werden und somit wird eine große Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre ausgegeben. Entsprechend kann gemäß der Erfindung, auch wenn sich der Motor in dem ersten Betriebszustand befindet, bei dem die erste Verbrennung, d.h., die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, auch wenn der Katalysator 19 nicht aktiviert ist, die erste Verbrennung nicht durchge führt, sondern die zweite Verbrennung durchgeführt werden, d.h., die übliche Verbrennung.
Als Katalysator 19 kann ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator oder ein NOx-Absorptionsmittel verwendet werden. Ein NOx-Absorptionsmittel hat die Funktion, NOx zu absorbieren, wenn das mittlere Luftkraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 mager ist, und NOx frei zu geben, wenn das mittlere Luftkraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 fett wird. Das NOx-Absorptionsmittel ist beispielsweise ein Aluminiumträger, der beispielsweise mit mindestens Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs oder anderen Alkalimetallen, Barium Ba, Calcium Ca oder anderen alkalischen Erden, Lanthan La, Yttrium Y, oder anderen seltenen Erden und zusätzlich mit Platin Pt oder anderen Edelmetallen beschichtet ist.
Der Oxidationskatalysator und ebenfalls der Dreiwegekatalysator und das NOx-Absorptionsmittel haben natürlich eine Oxidationsfunktion, sodass der Dreiwegekatalysator und das NOx-Absorptionsmittel als Katalysator 19 verwenden werden, wie oben erläutert.
Der Katalysator 19 wird aktiviert, wenn die Temperatur des Katalysators 19 eine bestimmte Temperatur überschreitet. Die Temperatur, bei der der Katalysator 19 aktiviert wird, hängt von den unterschiedlichen Arten des Katalysators 19 ab. Die Aktivierungstemperatur eines üblichen Oxidationskatalysators liegt bei etwa 350°C. Die Temperatur des durch den Katalysator 19 strömenden Abgases ist niedriger als die Temperatur des Katalysators 19 um eine bestimmte geringe Tempera tur, sodass die Temperatur des durch den Katalysator 19 strömenden Abgases die Temperatur des Katalysators 19 wiedergibt. Entsprechend wird gemäß der Ausführungsform der Erfindung aus der Temperatur des durch den Katalysator 19 strömenden Abgases bestimmt, ob der Katalysator 19 aktiviert ist.
8A zeigt den Ausgang des Luftkraftstoffverhältnissensor 21. Wie in 8A gezeigt, ändert sich der Ausgangsstrom I des Luftkraftstoffverhältnissensors 21 entsprechend dem Luftkraftstoffverhältnis A/F. Daher ist es möglich, das Luftkraftstoffverhältnis aus dem Ausgangsstrom I des Luftkraftstoffverhältnissensors 21 zu bestimmen. 8B zeigt den Ausgang des Sauerstoffkonzentrationssensors 44. Wie in 8B gezeigt, ändert sich der Ausgangsstrom I des Sauerstoffkonzentrationssensors 44 entsprechend der Sauerstoffkonzentration (O₂). Daher ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration aus dem Ausgangsstrom I des Sauerstoffkonzentrationssensors 44 zu bestimmen.
Im Folgenden soll allgemein die Steuerung des Betriebs des ersten Betriebsbereichs I und des zweiten Betriebsbereichs II unter Bezugnahme auf 9 beschrieben werden, wobei als Beispiel ein Fall genommen wird, bei dem der Katalysator 19 aktiviert ist.
9 zeigt die Öffnungsgrade der Drosselklappe 16, den Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23, die EGR-Verhältnismenge, das Luftkraftstoffverhältnis, den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge in Bezug auf die erforderliche Last L. Wie in 9 gezeigt, wird in dem ersten Betriebsbereich I bei niedriger erfor derlicher Last L der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 allmählich von dem voll geschlossenen Zustand zum halb geöffneten Zustand erhöht, wenn die erforderliche Last L größer wird, während der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 allmählich vom voll geschlossenen Zustand zum voll geöffneten Zustand erhöht wird, wenn die erforderliche Last L höher wird. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel liegt die EGR-Verhältnismenge im ersten Betriebsbereich I bei 80% und das Luftkraftstoffverhältnis wird bei einem ein wenig mageren Luftkraftstoffverhältnis eingestellt.
D.h., im ersten Betriebsbereich werden der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 und der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 so gesteuert, dass die EGR-Verhältnismenge etwa 80% und das Luftkraftstoffverhältnis ein wenig mager wird. D.h., dass hierbei das Luftkraftstoffverhältnis auf das Soll-Luftkraftstoffverhältnis durch Berichtigen des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16 und des Öffnungsgrades des EGR-Steuerventils 23 auf der Grundlage des Ausgangssignals des Luftkraftstoffverhältnissensors 21 gesteuert wird. Weiter wird im ersten Betriebsbereich I der Kraftstoff vor dem oberen Todpunkt des Kompressionshubes TDC eingespritzt. In diesem Fall wird der Einspritzzeitpunkt 8S verzögert, je höher die erforderliche Last L ist. Der Einspritzendzeitpunkt θE wird ebenfalls verzögert, je später der Einspritzbeginn θS ist.
Während des Leerlaufs wird die Drosselklappe 16 fast bis zum voll geschlossenen Zustand geschlossen. Hierbei wird das EGR-Steuerventil 23 ebenfalls bis nahe zum voll geschlossenen Zustand geschlossen. Wenn die Drosselklappe 16 bis nahe zum voll geschlossenen Zustand geschlossen wird, wird der Druck in der Verbrennungskammer 5 beim Kompressionshubbeginn niedrig, sodass der Kompressionsdruck gering wird. Wenn der Kompressionsdruck gering wird, wird die Kompressionsarbeit mittels des Kolbens 4 gering, sodass die Vibration des Motorgehäuses 1 gering wird. D.h., während des Leerlaufs kann die Drosselklappe 16 bis nahe zum voll geschlossenen Zustand geschlossen werden, um die Vibration des Motorgehäuses 1 zu unterdrücken.
Wenn sich der Motor im ersten Betriebsbereich I befindet, wird fast kein Ruß und NOx erzeugt, und die Kohlenwasserstoffe in Form eines Rußvorläufers oder ihrem vorigen Zustand im Abgas können mittels des Katalysators 19 oxidiert werden.
Wenn andererseits sich der Motor vom Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II verschiebt, wird der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 schrittweise von dem halb geöffneten Zustand zum voll geöffneten Zustand erhöht. Dabei wird bei dem in 9 gezeigten Beispiel die EGR-Verhältnismenge schrittweise von etwa 80% auf weniger als 40% vermindert, und das Luftkraftstoffverhältnis schrittweise erhöht. D.h., da die EGR-Verhältnismenge über den Bereich der EGR-Verhältnismenge (2) springt, wo eine große Menge Ruß erzeugt wird, wird keine große Menge Ruß mehr erzeugt, wenn sich der Motorbetriebszustand von dem ersten Betriebszustand I zum zweiten Betriebszustand II verändert.
In dem zweiten Betriebszustand II wird die übliche Verbrennung durchgeführt. Bei diesem Verbrennungsverfahren wird etwas Ruß und etwas NOx erzeugt, jedoch ist der Wärmewirkungsgrad höher als bei der Niedrigtemperaturverbrennung, sodass, wenn sich der Motorbetriebszustand vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II ändert, die Einspritzmenge schrittweise, wie in 9 gezeigt, vermindert wird.
In dem zweiten Betriebsbereich II wird die Drosselklappe 16 in ihrem voll geöffneten Zustand gehalten, mit Ausnahme der Abschnitte, und der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 wird allmählich vermindert, je höher die erforderliche Last L wird. In dem Betriebszustand II wird daher die EGR-Verhältnismenge um so niedriger, je höher die erforderliche Last L wird, und das Luftkraftstoffverhältnis wird niedriger, je höher die erforderliche Last L wird. Auch wenn die erforderliche Last L hoch wird, wird jedoch das Kraftstoffverhältnis ein mageres Luftkraftstoffverhältnis. In dem zweiten Betriebsbereich II wird der Beginn des Einspritzzeitpunktes θS in der Nähe des oberen Todpunktes des Kompressionshubes TDC eingestellt.
Der Bereich des ersten Betriebsbereichs I, in dem die Niedrigtemperaturverbrennung möglich ist, ändert sich entsprechend der Gastemperatur in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression und der Temperatur der Oberfläche der Innenwand des Zylinders. D.h., wenn die erforderliche Last groß wird, und die während der Verbrennung erzeugte Wärmemenge zunimmt, wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung hoch, sodass eine Nied rigtemperaturverbrennung nicht länger durchgeführt werden kann. Wenn andrerseits die Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression niedrig wird, wird die Temperatur des Gases in der Verbrennungskammer 5 direkt vor dem Beginn der Verbrennung niedrig, sodass die Temperatur des Kraftstoffs und seines umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung niedrig wird. Entsprechend wird, wenn die Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression niedrig wird, auch wenn die durch die Verbrennung erzeugte Wärmemenge zunimmt, d.h., auch wenn die erforderliche Last groß wird, die Temperatur des Kraftstoffs und seines umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung nicht hoch und daher wird die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt. D.h., um so niedriger die Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression ist, um so mehr dehnt sich der erste Betriebsbereich I, in dem die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt werden kann, zu der Hochlastseite aus.
Weiter ist, je niedriger die Temperaturdifferenz (TW-TG) zwischen der Temperatur TW der Zylinderinnenwand und der Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression ist, die durch die Zylinderinnenwand während des Kompressionshubes entweichende Wärmemenge um so größer. Je kleiner daher diese Temperaturdifferenz (TW-TG) ist, um so kleiner ist der Temperaturanstieg des Gases in der Verbrennungskammer 5 während des Kompressionshubes und um so geringer ist daher die Temperatur des Kraftstoffs und seines umgebendenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung. Je kleiner also die Temperaturdifferenz (TW-TG) ist, um so mehr dehnt sich der erste Betriebsbereich I, in dem die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt werden kann, zur Hochlastseite aus.
Bei dieser Ausführungsform gemäß der Erfindung verschiebt sich, wenn die Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 niedrig wird, wie in 10 gezeigt, die erste Grenze von X₀(N) nach X(N). Wenn die Temperaturdifferenz (TW-TG) klein wird, wie in 10 gezeigt, verschiebt sich die erste Grenze von X₀(N) nach X(N). Hier zeigt X₀(N) die erste Bezugsgrenze. Die erste Bezugsgrenze X₀(N) ist eine Funktion der Motordrehzahl N. X(N) wird unter Verwendung von X₀(N) auf der Grundlage von folgender Gleichungen berechnet: X(N) = X0(N) + K(T)·K(N) K(T) = K(T)1 + K(T)2
Hier ist K(T)₁, wie in 11A gezeigt, eine Funktion der Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression. Der Wert von K(T)₁ wird um so größer, je niedriger die Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression ist. Weiter ist K(T)₂ eine Funktion der Temperaturdifferenz (TW-TG), wie in 11B gezeigt. Der Wert K(T)₂ wird um so größer, je geringer die Temperaturdifferenz (TW-TG) wird. In 11A und 11B ist T₁ die Bezugstemperatur und T₂ die Bezugstemperaturdifferenz. Wenn TG = T₁ und (TW-TG) = T₂ ist, wird die erste Grenze X₀(N) von 10.
Andererseits ist K(N) eine Funktion der Motordrehzahl N, wie in 11C gezeigt. Der Wert K(N) wird um so kleiner, je höher die Motordrehzahl N wird. D.h., wenn die Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression niedriger als die Bezugstemperatur T₁ wird, d.h., je niedriger die Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression ist, um so mehr verschiebt sich die erste Grenze X(N) zur Hochlastseite in Bezug auf X₀(N). Wenn die Temperaturdifferenz (TW-TG) niedriger als die Bezugstemperaturdifferenz T₂ wird, je kleiner die Temperaturdifferenz (TW-TG) ist, um so mehr verschiebt sich die erste Grenze X(N) zu der Hochlastseite in Bezug auf X₀(N). Der Betrag der Verschiebung von X(N) in Bezug auf X₀(N) wird um so kleiner, je höher die Motordrehzahl N wird.
12A zeigt das Luftkraftstoffverhältnis A/F in dem ersten Betriebsbereich I, wenn die erste Grenze die erste Bezugsgrenze X₀(N) ist. In 12A zeigen die Kurven A/F = 15, A/F = 16, und A/F = 17 die Fälle, bei denen das Luftkraftstoffverhältnis 15, 16 bzw. 17 beträgt. Die Luftkraftstoffverhältnisse zwischen den Kurven werden mittels einer proportionalen Verteilung bestimmt. Wie in 12A gezeigt, wird das Luftkraftstoffverhältnis in dem ersten Betriebsbereich mager. In dem ersten Betriebsbereich I wird weiter das Luftkraftstoffverhältnis A/F um so magerer, je höher die erforderliche Last L ist.
D.h., um so geringer die erforderliche Last L ist, um so geringer wird die mittels der Verbrennung erzeugte Wärmemenge. D.h., je geringer die erforderliche Last L ist, um so mehr kann die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt werden, auch wenn die EGR-Verhältnismenge vermindert wird. Wenn die EGR-Verhältnismenge vermindert wird, wird das Luftkraftstoffverhältnis größer. Daher wird, wie in 12A gezeigt, das Luftkraftstoffverhältnis A/F größer, wenn die erforderliche Last L niedriger wird. Je größer das Luftkraftstoffverhältnis A/F wird, um so mehr wird der Kraftstoffwirkungsgrad verbessert. Um daher das Luftkraftstoffverhältnis so mager wie möglich zu machen, wird bei der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung das Luftkraftstoffverhältnis A/F um so größer eingestellt, je geringer die erforderliche Last L wird.
12B zeigt das Luftkraftstoffverhältnis A/F in dem ersten Betriebsbereich I, wenn die erste Grenze X(N) ist, wie in 10 gezeigt. Wenn man 12A und 12B vergleicht, wenn sich die erste Grenze X(N) zur Hochlastseite in Bezug auf X0(N) verschiebt, verschieben sich die Kurven von A/F = 15, A/F = 16 und A/F = 17, die die Luftkraftstoffverhältnisse darstellen, ebenfalls zur Hochlastseite und folgen derselben. Es ist daher festzustellen, dass, wenn sich die erste Grenze X(N) zur Hochlastseite in Bezug auf X₀(N) verschiebt, sich das Luftkraftstoffverhältnis A/F bei der gleichen erforderlichen Last L und der gleichen Motordrehzahl N vergrößert. D.h., wenn der erste Betriebsbereich I sich zur Hochlastseite ausdehnt, ist dies nicht nur der Betriebsbereich, in dem fast kein Ruß und NOx erzeugt werden, sondern ebenfalls der Kraftstoffwirkungsgrad verbessert wird.
Bei dieser Ausführungsform gemäß der Erfindung werden die Soll-Luftkraftstoffverhältnisse in dem ersten Betriebsbereich I für verschiedene unterschiedliche ers te Grenzen X(N), d.h., die Soll-Luftkraftstoffverhältnisse in dem ersten Betriebsbereich I für verschiedene Werte von K(T), vorher in dem ROM 32 in Form einer Tabelle als eine Funktion der erforderlichen Last und der Motordrehzahl N gespeichert, wie in 13A bis 13D gezeigt. D.h., 13A zeigt das Soll-Luftkraftstoffverhältnis AFKT1, wenn der Wert von K(T) KT1 beträgt, 13B zeigt das Soll-Luftkraftstoffverhältnis AFKT2, wenn der Wert von K(T) KT2 beträgt, 13C zeigt das Soll-Luftkraftstoffverhältnis AFKT3, wenn der Wert von K(T) KT3 beträgt und 13D zeigt das Soll-Luftkraftstoffverhältnis AFKT4, wenn der Wert von K(T) KT4 beträgt.
Andererseits werden die Sollöffnungsgrade der Drosselklappe 16, um das Luftkraftstoffverhältnis auf die Soll-Luftkraftstoffverhältnisse AFKT1, AFKT2, AFKT3 und AFKT4 einzustellen, vorher in dem ROM 32 in Form einer Tabelle als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N gespeichert, wie in den 14A bis 14D gezeigt. Weiter werden die Soll-Grundöffnungsgrade des EGR-Steuerventils 23, um das Luftkraftstoffverhältnis auf die Soll-Luftkraftstoffverhältnisse AFKT1, AFKT2, AFKT3 und AFKT4 einzustellen, vorher in dem ROM 32 in Form einer Tabelle als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N gespeichert, wie in den 15A bis 15D gezeigt.
D.h., 14A zeigt den Soll-Öffnungsgrad 5T15 der Drosselklappe 16, wenn das Luftkraftstoffverhältnis 15 beträgt, während 15A den Soll-Grundöffnungsgrad SE15 des EGR-Steuerventils 23 zeigt, wenn das Luftkraftstoffverhältnis 15 beträgt.
Weiter zeigt 14B den Soll-Öffnungsgrad ST16 der Drosselklappe 16, wenn das Luftkraftstoffverhältnis 16 beträgt, während 15B den Soll-Grundöffnungsgrad SE16 des EGR-Steuerventils 23 zeigt, wenn das Luftkraftstoffverhältnis 16 beträgt.
Weiter zeigt 14C den Soll-Öffnungsgrad ST17 der Drosselklappe 16, wenn das Luftkraftstoffverhältnis 17 beträgt, während 15C den Soll-Grundöffnungsgrad SE17 des EGR-Steuerventils 23 zeigt, wenn das Luftkraftstoffverhältnis 17 beträgt.
Weiter zeigt 14D den Soll-Öffnungsgrad ST18 der Drosselklappe 16, wenn das Luftkraftstoffverhältnis 18 beträgt, während 15D den Soll-Grundöffnungsgrad SE18 des EGR-Steuerventils 23 zeigt, wenn das Luftkraftstoffverhältnis 18 beträgt.
16 zeigt das Soll-Luftkraftstoffverhältnis bei der zweiten Verbrennung, d.h., der normalen Verbrennung mittels des üblichen Verbrennungsverfahrens. Es soll darauf hingewiesen werden, dass in 16 die Kurven A/F = 24, A/F = 35, A/F = 45 und A/F = 60 die Soll-Luftkraftstoffverhältnisse 24, 35, 45 und 60 zeigen. Die Soll-Öffnungsgrade ST der Drosselklappe 16, um das Luftkraftstoffverhältnis auf diese Luftkraftstoffverhältnisse einzustellen, sind vorher in dem ROM 32 in Form einer Tabelle als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N gespeichert, wie in 17A gezeigt. Die Soll-Öffnungsgrade SE des EGR-Steuerventils 23, um das Luftkraftstoffverhältnis auf diese Luftkraftstoffverhältnisse einzustellen, sind vorher in dem ROM 32 in Form einer Tabelle als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N gespeichert, wie in 17B gezeigt.
Wie bis hier beschrieben, wird, wenn der Motor in dem ersten Betriebsbereich I arbeitet und der Katalysator 19 aktiviert ist, die erste Verbrennung, d.h., die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt. Manchmal ist jedoch, auch wenn der Motor in dem ersten Betriebsbereich I arbeitet und der Katalysator 19 aktiviert ist, eine gute Niedrigtemperaturverbrennung aus bestimmten Gründen oder anderen nicht möglich. Bei der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung werden, wenn der Katalysator 19 aktiviert ist, wenn der Motor in dem ersten Betriebsbereich I arbeitet, der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 und der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 für die Niedrigtemperaturverbrennung als der entsprechende Soll-Öffnungsgrad ST gemäß 14A bis 14D und der Soll-Grundöffnungsgrad SE gemäß 15A bis 15D eingestellt. Wenn dabei eine gute Niedrigtemperaturverbrennung nicht möglich ist, d.h., wenn eine Fehlverbrennung auftritt, wird das Luftkraftstoffverhältnis größer gemacht. Wenn das Luftkraftstoffverhältnis größer gemacht wird, wird die Konzentration des Sauerstoffs rings um den Kraftstoff höher und somit kann eine gute Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt werden.
Bei der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird die Bestimmung, ob eine Niedrigtemperatur durchgeführt werden kann oder nicht, auf der Grundlage des Drucks in der Verbrennungskammer 5 durchgeführt, der mittels des Verbrennungsdruckssensors 47 erfasst wird. D.h., wenn eine gute Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, wie in 18 gezeigt, ändert sich der Verbrennungsdruck ein wenig. D.h., der Verbrennungsdruck nimmt am oberen Todpunkt TDC einen Spitzenwert P₀ ein, und nimmt einen weiteren Spitzenwert nach dem oberen Todpunkt TDC P₁ ein. Der Spitzendruck P₁ tritt infolge des Verbrennungsdrucks auf. Wenn eine gute Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird der Spitzendruck P₁ etwas höher als der Spitzendruck P₀.
Wenn dagegen eine gute Niedrigtemperatur nicht durchgeführt wird und eine Fehlverbrennung auftritt, wird der Spitzendruck P₁ niedriger als der Spitzendruck P₀. Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher bestimmt, wenn der Differenzdruck ΔP (= P₁ – P₀) ein negativer Wert wird, dass eine Fehlverbrennung auftritt und das Luftkraftstoffverhältnis wird größer eingestellt.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Erfassung der Fehlverbrennung unter Bezugnahme auf 18 und 19 erläutert. 19 zeigt das Programm zur Erfassung der Fehlverbrennung. Dieses Programm wird durch eine Kurbelwellenwinkelunterbrechung durchgeführt. In 19 wird bei Schritt 100 zuerst bestimmt, ob der Kurbelwellenwinkel CA1 (18) vorliegt oder nicht. Wenn der Kurbelwellenwinkel CA1 beträgt, geht das Programm zu Schritt 101, wo die Ausgangsspannung des Spitzenhalteschaltkreises 48 gelesen wird. Hierbei zeigt die Ausgangsspannung des Spitzenhalteschaltkrei ses 48 den Spitzendruck P₀, sodass bei Schritt 101 der Spitzendruck P₀ gelesen wird. Im Folgenden wird bei Schritt 102 das Rückstellsignal dem Rückstelleingangsanschluss R des Spitzenhalteschaltkreises 48 eingegeben, wodurch der Spitzenhalteschaltkreis 48 zurückgestellt wird.
Bei Schritt 103 wird dann bestimmt, ob der Kurbelwellenwinkel CA2 (18) ist oder nicht. Wenn der Kurbelwellenwinkel CA2 beträgt, geht das Programm zu Schritt 104, wo die Ausgangsspannung des Spitzenhalteschaltkreises 48 gelesen wird. Hierbei zeigt die Ausgangsspannung des Spitzenhalteschaltkreises 48 den Spitzendruck P₁, sodass bei Schritt 104 der Spitzendruck P₁ gelesen wird. Darauf wird bei Schritt 105 das Rückstellsignal dem Rückstelleingangsanschluss R des Spitzenhalteschaltkreises 48 eingegeben, wodurch der Spitzenhalteschaltkreis 48 zurückgesetzt wird. Im Folgenden wird bei Schritt 106 der Differenzdruck ΔP (= P₁ – P₀) zwischen dem Spitzendruck P₀ und dem Spitzendruck P₁ berechnet.
Bei Schritt 107 wird dann bestimmt, ob der Differenzdruck ΔP negativ ist oder nicht. Wenn ΔP < 0 ist, wird bestimmt, dass eine Fehlverbrennung aufgetreten ist. Dabei geht das Programm zu Schritt 109, wo der Fehlverbrennungsmerker gesetzt wird. Wenn dagegen ΔP > 0 ist, wird bestimmt, dass keine Fehlverbrennung aufgetreten ist. Dann geht das Programm zu Schritt 108, wo der Fehlverbrennungsmerker zurückgesetzt wird.
20 zeigt das Steuerprogramm für den Niedrigtemperaturverbrennungsbereich, d.h., den ersten Betriebsbereich I.
In 20 wird zuerst bei Schritt 200 die Temperatur des Gases TG im Inneren der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression und die Temperatur TW der Zylinderinnenwand berechnet. Bei dieser Ausführungsform wird die durch den Temperatursensor 43 erfasste Temperatur des Gasgemisches von Ansaugluft und EGR-Gas auf die Temperatur des Gases TG in der Verbrennungskammer 5 beim Beginn der Kompression eingestellt, während die mittels des Temperatursensors 29 erfasste Temperatur des Kühlwassers auf die Temperatur TW der Zylinderinnenwand eingestellt wird. Bei Schritt 201 wird dann K(T)₁ aus der in 11A gezeigten Beziehung, K(T)₂ aus der in 11B gezeigten Beziehung gefunden, und diese K(T)₁ und K(T)₂ werden zur Berechnung von K(T) (= K(T)₁ + K(T)₂) addiert.
Im Folgenden wird in Schritt 202 K(N) aus der in 11C gezeigten Beziehung auf der Grundlage der Motordrehzahl N berechnet. Im Folgenden wird bei Schritt 203 der vorher gespeicherte Wert der ersten Grenze X₀(N) zur Berechnung des Wertes der ersten Grenze X(N) auf der Grundlage der folgenden Gleichung berechnet: X(N) = X0 (N) + K (T)·K(N)
Dann wird bei Schritt 204 ΔL(N) aus der in 7 gezeigten Beziehung auf der Grundlage der Motordrehzahl N berechnet. Im Folgenden wird bei Schritt 205 ΔL(N) von X(N) subtrahiert, um den Wert der zweiten Grenze Y(N) (= X(N) – ΔL(N)) zu berechnen.
Im folgenden wird die Steuerung des Betriebs unter Bezugnahme auf 21 beschrieben.
In 21 wird zuerst bei Schritt 300 bestimmt, ob die Temperatur Tc durch den Katalysator 19 strömenden Abgases höher als eine bestimmte Temperatur T₀ ist, d.h., ob der Katalysator 19 aktiviert ist oder nicht, und zwar auf der Grundlage des Ausgangssignals des Temperatursensors 46. Wenn Tc ≤ T₀ ist, d.h., wenn der Katalysator 19 nicht aktiviert ist, geht das Programm zu Schritt 307, wo die zweite Verbrennung, d.h., die Verbrennung mit dem üblichen Verbrennungsverfahren durchgeführt wird.
Bei Schritt 307 wird der Soll-Öffnungsgrad ST der Drosselklappe 16 aus der in 17A gezeigten Tabelle berechnet, woraufhin dann bei Schritt 308 der Soll-Öffnungsgrad SE des EGR-Steuerventils 23 aus der in 17B gezeigten Tabelle berechnet wird. Dann wird bei Schritt 309 die Einspritzmenge Q berechnet, und dann wird bei Schritt 310 der Beginn des Einspritzzeitpunktes θS berechnet.
Wenn bei Schritt 300 bestimmt wird, dass Tc > T₀ ist, d.h., wenn der Katalysator 19 aktiviert ist, geht das Programm zu Schritt 301, wo bestimmt wird, ob ein Merker I, der zeigt, dass der Motorbetriebsbereich sich im ersten Betriebsbereich I befindet, gesetzt ist oder nicht. Wenn der Merker I gesetzt ist, d.h., wenn der Motorbetriebsbereich der erste Betriebsbereich I ist, geht das Programm zu Schritt 302, wo bestimmt wird, ob die erforderliche Last L größer als die erste Grenze X(N) ist oder nicht. Wenn L ≤ X(N) ist, geht das Programm zu Schritt 303, wo die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird.
D.h., bei Schritt 303 werden die zwei dem K(T) entsprechenden Tabellen von 13A bis 13D verwendet, um das Soll-Luftkraftstoffverhältnis A/F mittels proportionaler Verteilung zu berechnen. Im Folgenden wird bei Schritt 304 die Einspritzmenge Q berechnet, und dann bei Schritt 305 der Beginn des Einspritzzeitpunktes θS berechnet. Der Beginn des Einspritzzeitpunktes θS ist vorher in dem ROM 32 als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N in Form einer Tabelle gemäß 22 gespeichert. Im Folgenden wird bei Schritt 400 die Einspritzsteuerung durchgeführt. Diese Einspritzsteuerung ist in 23 dargestellt. Bei Schritt 500 wird dann die Fehlverbrennungssteuerung durchgeführt. Diese Fehlverbrennungssteuerung ist in 24 gezeigt. Darauf wird bei Schritt 600 die EGR-Steuerung durchgeführt. Diese EGR-Steuerung ist in 25 gezeigt.
Wenn andererseits bei Schritt 302 bestimmt wird, dass L > X(N) ist, geht das Programm zu Schritt 306, wo der Merker I zurückgestellt wird. Darauf geht das Programm zu Schritt 307, wo die zweite Verbrennung, d.h., die übliche normale Verbrennung durchgeführt wird. Wenn andererseits bei Schritt 301 bestimmt wird, dass der Merker I zurückgesetzt wurde, d.h., wenn sich der Motor im zweiten Betriebsbereich II befindet, geht das Programm zu Schritt 311, wo bestimmt wird, ob die er forderliche Last L kleiner als die zweite Grenze Y(N) geworden ist. Wenn L ≥ Y(N) ist, geht das Programm zu Schritt 307. Dagegen geht das Programm zu Schritt 312, wenn L < Y(N) ist, wo der Merker I gesetzt wird. Darauf geht das Programm zu Schritt 303, wo die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird.
Im Folgenden wird das Einspritzsteuerverfahren unter Bezugnahme auf 23 beschrieben. Wie in 23 gezeigt, wird bei Schritt 401 bestimmt, ob sich der Motor im Leerlauf befindet oder nicht. Wenn er sich nicht im Leerlauf befindet, wird sofort zum Fehlverbrennungssteuerprogramm gegangen. Dagegen geht das Programm zu Schritt 402, wenn der Motor sich im Leerlauf befindet.
Bei Schritt 402 wird bestimmt, ob die Motordrehzahl N niedriger als der Wert (No – a) geworden ist, zum Beispiel die Soll-Leerlaufdrehzahl (600Upm) minus einem bestimmten Wert a, zum Beispiel 10Upm oder nicht. Wenn N < N₀ – a ist, geht das Programm zu Schritt 404, wo ein bestimmter Wert b zu einem Korrekturwert ΔQ der Einspritzmenge hinzugefügt wird. Darauf geht das Programm zu Schritt 406, wo die Einspritzmenge Q um genau den Korrekturwert ΔQ erhöht wird. Wenn dagegen bei Schritt 402 bestimmt wird, dass N ≥ N₀ – a ist, geht das Programm zu Schritt 403, wo bestimmt wird, ob die Motordrehzahl N höher als die Soll-Leerlaufdrehzahl N₀ plus dem bestimmten Wert a (N₀ + a) ist oder nicht. Wenn N > N₀ + a ist, geht das Programm zu Schritt 405, wo der bestimmte Wert b von dem Korrekturwert ΔQ abgezogen wird, und dann geht das Programm zu Schritt 406.
D.h., wenn sich der Motor im Leerlauf befindet, wird die Einspritzmenge Q so gesteuert, dass die Motordrehzahl N N₀ – a < N < N < N₀ + a wird.
Im Folgenden wird die Fehlverbrennungssteuerung unter Bezugnahme auf 24 beschrieben. Wie in 24 gezeigt, wird zuerst bei Schritt 501 bestimmt, ob der Fehlverbrennungsmerker gesetzt ist oder nicht. Wenn der Fehlverbrennungsmerker zurückgestellt wurde, d.h., wenn eine Fehlverbrennung nicht aufgetreten ist, geht das Programm zu Schritt 502, wo bestimmt wird, ob das tatsächliche Luftkraftstoffverhältnis A/F, das mit dem Luftkraftstoffverhältnissensor 21 erfasst wurde, größer als das Soll-Luftkraftstoffverhältnis A/F plus einem bestimmten Wert d (AF + d) ist oder nicht. Wenn A/F > AF + d ist, geht das Programm zu Schritt 504, wo ein bestimmter Wert e von dem Korrekturwert ΔAF des Luftkraftstoffverhältnisses abgezogen wird. Im Folgenden wird bei Schritt 506 der Korrekturwert ΔAF dem Soll-Luftkraftstoffverhältniswert AF hinzugefügt, um einen gelernten Wert AFO des Luftkraftstoffverhältnisses (= AF + ΔAF) zu berechnen.
Wenn andererseits bei Schritt 502 bestimmt wird, dass A/F ≤ AF + d ist, geht das Programm zu Schritt 503, wo bestimmt wird, ob das tatsächliche Luftkraftstoffverhältnis A/F, das von dem Luftkraftstoffverhältnissensor 21 erfasst wurde, kleiner als das Luftkraftstoffverhältnis AF minus dem bestimmten Wert d (AF – d) ist oder nicht. Wenn A/F < AF – d ist, geht das Programm zu Schritt 505, wo der bestimmte Wert e dem Korrekturwert ΔAF hinzugefügt wird, und dann geht das Programm zu Schritt 506. D.h., wenn eine Fehlverbrennung nicht aufgetreten ist, wird der gelernte Wert AFO des Luftkraftstoffverhältnisses so berechnet, dass das tatsächliche Luftkraftstoffverhältnis A/F im Wesentlichen gleich dem Soll-Kraftstoffverhältnis AF wird.
Im Folgenden werden bei Schritt 507 die zwei dem gelernten Kraftstoffwert AFO des Luftkraftstoffverhältnisses aus dem in 14A bis 14D gezeigten Tabellen entsprechenden Tabellen verwendet, um den Soll-Öffnungsgrad ST der Drosselklappe 16 mittels einer proportionalen Verteilung zu berechnen, und den Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf den Soll-Öffnungsgrad ST zu steuern. Bei Schritt 508 werden dann die zwei dem gelernten Wert AFO des Luftkraftstoffverhältnisses aus den in 15A bis 15D gezeigten Tabellen verwendet, um den Soll-Grundöffnungsgrad SE des EGR-Steuerventils 23 durch proportionale Verteilung zu berechnen.
Wenn dagegen bei Schritt 501 bestimmt wird, dass der Fehlverbrennungsmerker gesetzt wurde, d.h., wenn eine Fehlverbrennung auftritt, geht das Programm zu Schritt 509, wo ein bestimmter Wert c den Korrekturwert ΔAF hinzugefügt wird, und dann geht das Programm zu Schritt 506. Wenn eine Fehlverbrennung auftritt, wird entsprechend der gelernte Wert AFO des Luftkraftstoffverhältnisses allmählich erhöht, wodurch das tatsächliche Luftkraftstoffverhältnis allmählich größer wird. Dabei wird der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 allmählich größer, sodass die Ansaugluft zunimmt und der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 ebenfalls erhöht wird, sodass die EGR-Verhältnismenge die Soll-EGR-Verhältnismenge wird.
Wenn eine Fehlverbrennung nicht länger stattfindet, geht das Programm von Schritt 501 zu Schritt 502, wo der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 und der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 allmählich abnimmt, sodass das tatsächliche Luftkraftstoffverhältnis A/F das Soll-Luftkraftstoffverhältnis AF wird.
Im Folgenden wird die EGR-Steuerung unter Bezugnahme auf 25 beschrieben. Diese EGR-Steuerung ist eine Steuerung, um die EGR-Verhältnismenge genau der Soll-EGR-Verhältnismenge anzupassen. In 25 wird zuerst bei Schritt 601 die tatsächliche EGR-Verhältnismenge auf der Grundlage des Ausgangssignals des Sauerstoffkonzentrationssensors 44 berechnet. D.h., wenn die Menge der Ansaugluft Qa ist, ist die EGR-Menge Qg, und die durch den Sauerstoffkonzentrationssensor 44 erfasste Sauerstoffkonzentration beträgt [O₂]%, und da die Sauerstoffkonzentration in der Ansaugluft bei etwa 21% und die Sauerstoffkonzentration in dem EGR-Gas etwa bei 5% liegt, ergibt sich folgende Gleichung: (0,21·Qa + 0,05·Qg)/(Qa + Qg) = [O2]
Hier beträgt die EGR-Verhältnismenge Qg/(Qa + Qg), sodass die obige Gleichung wie folgt ausgedrückt werden kann: 0,21 – 0,16·EGR-Verhältnismenge = [O2]
Wenn somit die Sauerstoffkonzentration [O₂] von dem Sauerstoffkonzentrationssensor 44 erfasst wird, kann die tatsächliche EGR-Verhältnismenge berechnet werden.
Im Folgenden wird bei Schritt 602 die Soll-EGR-Verhältnismenge GR berechnet. Dann wird bei Schritt 603 bestimmt, ob die tatsächliche EGR-Verhältnismenge kleiner als die Soll-EGR-Verhältnismenge GR minus einem bestimmten Wert f ist oder nicht. Wenn die tatsächliche EGR-Verhältnismenge < GR – f ist, geht das Programm zu Schritt 605, wo ein bestimmter Wert g dem Korrekturwert ΔSE des Öffnungsgrades des EGR-Steuerventils 23 hinzugefügt wird. Bei Schritt 607 wird der Korrekturwert ΔSE dem Soll-Grundöffnungsgrad SE des EGR-Steuerventils 23 hinzugefügt, um den Soll-Öffnungsgrad SE zu berechnen. Dabei wird der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 erhöht.
Wenn andererseits bei Schritt 603 bestimmt wird, dass die tatsächliche EGR-Verhältnismenge ≥ GR – f ist, geht das Programm zu Schritt 604, wo bestimmt wird, ob die tatsächliche EGR-Verhältnismenge größer als die Soll-EGR-Verhältnismenge plus dem bestimmten Wert f (GR + f) ist oder nicht. Wenn die tatsächliche EGR-Verhältnismenge > GR + f ist, geht das Programm zu Schritt 606, wo der bestimmte Wert g von dem Korrekturwert ΔSE abgezogen wird, und dann geht das Programm zu Schritt 607. Dabei wird der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 vermindert.
26 zeigt eine weiter Ausführungsform der Fehlverbrennungssteuerung von 24. Bei dieser Ausführungsform wird der Beginn des Einspritzzeitpunktes θS, wenn eine Fehlverbrennung auftritt, vorgestellt.
D.h., bei Schritt 701 in 25 werden die zwei dem Soll-Luftkraftstoffverhältnis AF entsprechenden Tabellen von 14A bis 14D verwendet, um den Soll-Öffnungsgrad ST der Drosselklappe 16 durch proportionale Verteilung zu berechnen, und den Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf den Soll-Öffnungsgrad ST zu steuern. Bei Schritt 702 werden dann die dem Soll-Luftstoffkraftstoffverhältnis der Tabellen von 15A bis 15D entsprechenden Tabellen verwendet, um den Soll-Grundöffnungsgrad SE des EGR-Steuerventils 23 durch proportionale Verteilung zu berechnen.
Im Folgenden wird bei Schritt 703 bestimmt, ob der Fehlverbrennungsmerker gesetzt ist oder nicht. Wenn der Fehlverbrennungsmerker gesetzt ist, d.h., wenn eine Fehlverbrennung auftritt, geht das Programm zu Schritt 708, wo ein bestimmter Wert h den Korrekturwert Δθ5 des Beginns des Einspritzzeitpunktes hinzugefügt wird. Bei Schritt 707 wird der Korrekturwert ΔθS dem Soll-Beginn des Einspritzzeitpunktes θS gemäß 22 hinzugefügt, um den tatsächlichen Beginn des Einspritzzeitpunktes θSC zu berechnen. D.h., wenn die Fehlverbrennung auftritt, wird der Beginn des Einspritzzeitpunktes allmählich vorgestellt.
Wenn andererseits der Fehlverbrennungsmerker zurückgestellt ist, d.h., wenn die Fehlverbrennung nicht länger auftritt, geht das Programm von Schritt 703 zu Schritt 704, wo der bestimmte Wert h von dem Korrekturwert ΔθS abgezogen wird. Darauf wird bei Schritt 705 bestimmt, ob der Korrekturwert ΔθS nicht negativ geworden ist oder nicht. Wenn ΔθS < 0 ist, wird bei Schritt 706 ΔθS auf Null gestellt, und dann geht das Programm zu Schritt 707. D.h., wenn die Fehlverbrennung nicht länger auftritt, wird der Beginn des Einspritzzeitpunktes allmählich verzögert, bis der Soll-Beginn des Einspritzzeitpunktes θS gemäß 22 erreicht ist.
27 und 28 zeigen weitere Ausführungsformen des Fehlverbrennungserfassungsprogramms gemäß 19.
27 zeigt eine Ausführungsform, bei der bestimmt wird, dass eine Fehlverbrennung aufgetreten ist, wenn die Schwankungen des Ausgangsdrehmoments groß werden.
In 27 wird zuerst bei Schritt 801 die von dem Drehmomentsensor 50 erfasste Schwankungsmenge ΔTQ des Ausgangsdrehmoments des Motors berechnet. Bei Schritt 802 wird dann bestimmt, ob die Schwankungsmenge des Drehmoments ΔTQ größer als ein bestimmter Wert j ist oder nicht. Wenn ΔTQ > j ist, geht das Programm zu Schritt 803, wo der Fehlverbrennungsmerker gesetzt wird, während, wenn ΔTQ ≤ j ist, das Programm zu Schritt 804 geht, wo der Fehlverbrennungsmerker zurückgesetzt wird.
28 zeigt eine Ausführungsform, bei der bestimmt wird, ob innerhalb einer bestimmten Zeitdauer T180 für eine Umdrehung der Kurbelwelle von 180° eine Fehlverbrennung auftritt, einschließlich des Explosionshubs des Zylinders. D.h., wenn in einem Zylinder eine Fehlverbrennung auftritt, und die für die Umdrehung der Kurbelwelle um 180° einschließlich des Explosionshubs des Zylinder benötigte Zeit T180 länger wird, so kann daraus bestimmt werden, dass eine Fehlverbrennung aufgetreten ist.
D.h., bei Schritt 901 (siehe 28) wird die erforderliche Zeit für die Umdrehung der Kurbelwelle um 180° einschließlich des Explosionshubs des Zylinders auf der Grundlage des Ausgangssignals des Kurbelwellenwinkelsensors 42 berechnet. Dann wird bei Schritt 902 die mittlere Zeit T180AV der letzten Zeiten T180 der Zylinder berechnet. Bei Schritt 903 wird dann bestimmt, ob irgendeine der benötigten Zeiten T180 der Zylinder größer als der mittlere Wert T180AV plus einem bestimmten Wert k (T180AV + k) ist oder nicht. Wenn T180 > T180AV + k ist, geht das Programm zu Schritt 904, wo der Fehlverbrennungsmerker gesetzt wird. Wenn T180 < T180AF + k ist, geht das Programm zu Schritt 905, wo der Fehlverbrennungsmerker zurückgesetzt wird.
Weiter ist es möglich, zwei Anschlüsse in einem bestimmten Abstand voneinander in der Verbrennungskammer 5 anzuordnen und über diese Anschlüsse eine Spannung anzulegen, um zu bestimmen, wenn eine Fehlverbrennung auftritt, indem ein Ionenstrom über diese Anschlüsse fließt. D.h., bei der Verbrennung werden im Verbrennungsgas die Ionen erzeugt, sodass ein Ionenstrom über die Anschlüsse fließt. Entsprechend ist es ebenfalls möglich zu bestimmen, ob eine Fehlverbrennung aufgetreten ist oder nicht, indem man feststellt, ob ein Ionenstrom fließt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Betriebszustand eines Verbrennungsmotors mit Selbst zündung, wenn eine Fehlverbrennung auftritt, auf einen freien Betriebszustand ohne Fehlverbrennung zu steuern.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsbeispiele zum Zweck der Darstellung beschrieben, wobei jedoch ersichtlich ist, dass verschiedene Änderungen durch den Fachmann durchgeführt werden können, ohne sich vom Schutzumfang der Erfindung zu entfernen.
Eine Brennkraftmaschine mit Selbstzündung umfasst einen in der Verbrennungskammer angeordneten Verbrennungsdrucksensor, wobei das Auftreten einer Fehlverbrennung oder das Nichtauftreten durch eine Änderung des Verbrennungsdrucks bestimmt wird, und das Luftkraftstoffverhältnis erhöht wird, wenn bestimmt wird, dass eine Fehlverbrennung auftritt.

Claims

Selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung (30, 47, 48) zur Bestimmung, ob eine Fehlverbrennung auftritt oder nicht, und eine Steuereinrichtung (30) zur Steuerung eines Luftkraftstoffverhältnisses so, dass die Verbrennung stabil wird, wenn eine Fehlverbrennung auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30) das Luftkraftstoffverhältnis allmählich in Richtung eines durch den Betriebszustand des Motors bestimmtes Soll-Luftkraftstoffverhältnis vermindert, wenn eine stabile Verbrennung infolge eines vergrößerten Luftkraftstoffverhältnisses beginnt.
Selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung (30, 47, 48) zur Bestimmung, ob eine Fehlverbrennung auftritt oder nicht, und eine Steuereinrichtung (30) zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzzeitpunktes so, dass die Verbrennung stabil wird, wenn eine Fehlverbrennung auftritt, wobei die Steuereinrichtung (30) den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt vorverlegt, wenn eine Fehlverbrennung auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30) den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt allmählich in Richtung eines durch den Betriebszustand des Motors bestimmten Soll-Kraftstoffeinspritzzeitpunkt zurückverlegt, wenn eine stabile Verbrennung infolge der Vorverlegung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes beginnt.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verbrennungsdrucksensor (47) in der Verbrennungskammer (5) angeordnet ist, und die Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung auf der Grundlage einer mittels des Verbrennungsdrucksensors (47) erfassten Verbrennungsdrucks bestimmt, ob eine Fehlverbrennung auftritt oder nicht.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei eine erste Spitze (P₀) des Verbrennungsdrucks im Wesentlichen an einem oberen Todpunkt eines Kompressionshubes auftritt, eine zweite Spitze (P₁) des Verbrennungsdrucks nach dem oberen Todpunkt des Kompressionshubs auftritt, und die Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung (30, 47, 48) bestimmt, dass eine Fehlverbrennung auftritt, wenn die zweite Spitze (P₁) des Verbrennungsdrucks kleiner als die erste Spitze (P₀) des Verbrennungsdrucks wird.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Erfassungseinrichtung (50) zur Erfassung eines Schwankungsbetrages eines Ausgangsdrehmoments des Motors vorgesehen ist, und wobei die Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung (30, 47, 48) auf der Grundlage des mittels der Erfassungseinrichtung (50) erfass ten Drehmomentschwankungsbetrages bestimmt, ob eine Fehlverbrennung auftritt.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, wobei die Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung (30, 47, 48) das Auftreten einer Fehlverbrennung bestimmt, wenn der Drehmomentschwankungsbetrag größer als ein bestimmter Schwankungsbetrag wird.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Erfassungseinrichtung (42) zur Erfassung einer abgelaufenen erforderlichen Zeit für die Drehung der Kurbelwelle (49) um einen bestimmten Winkel einschließlich eines Explosionshubes der Zylinder vorgesehen ist, und wobei die Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung (30, 47, 48) auf der Grundlage der mittels der Erfassungseinrichtung erfassten abgelaufenen Zeit das Auftreten einer Fehlverbrennung bestimmt.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei die Fehlverbrennungsbestimmungseinrichtung (30, 47, 48) das Auftreten einer Fehlverbrennung bestimmt, wenn die abgelaufene Zeit um genau eine bestimmte Zeit länger als ein Mittelwert der abgelaufenen Zeit aller Zylinder wird.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, umfassend eine Einrichtung (42) zur Erfassung einer Motordrehzahl und einer Einrichtung (26) zur Steuerung einer Kraftstoffeinspritzmenge, sodass die Motordrehzahl im Leerlauf größer als eine Soll-Motordrehzahl wird.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, umfassend eine Einrichtung (21) zur Erfassung eines Luftkraftstoffverhältnisses und eine Einrichtung (26, 23) zur Steuerung des Luftkraftstoffverhältnisses auf ein Soll-Luftkraftstoffverhältnis.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ein Steuerventil (23) zur Steuerung der zum Ansaugkanal (8) des Motors zurückgeführten Abgasmenge, eine Einrichtung (30) zur Berechnung einer Abgasrückführungsverhältnismenge, und eine Einrichtung (30) zur Steuerung des Öffnungsgrades des Steuerventils so, dass die Abgasrückführverhältnismenge eine Soll-Abgasrückführverhältnismenge wird.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Rußerzeugungsmenge allmählich zunimmt, und dann einen Spitzenwert erreicht, wenn eine Inert-Gasmenge in einer Verbrennungskammer (5) zunimmt und wobei eine weitere Zunahme der Inert-Gasmenge in der Verbrennungskammer (5) zu einer Abnahme einer Kraftstofftemperatur und einer umgebenden Gastemperatur unter eine Rußerzeugungstemperatur bei der Verbrennung in der Verbrennungskammer (5) führt, und somit fast kein Ruß erzeugt wird, wobei eine Schaltreinrichtung (16, 23) zum wahlweisen Schalten zwischen einer ersten Verbrennung, bei der die Inert-Gasmenge in der Verbrennungskammer (5) größer als die Inert-Gasmenge bei der die Rußerzeugungsmenge einen Spitzenwert erreicht, ist, und fast kein Ruß erzeugt wird, und einer zweiten Verbrennung, bei der die Inert-Gasmenge in der Verbrennungskammer (5) kleiner als die Inert-Gasmenge, bei der die Rußerzeugung einen Spitzenwert erreicht, ist, und ein Katalysator (20) mit ei ner Oxidationsfunktion im Abgaskanal (18) des Motors vorgesehen ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, wobei der Katalysator (20) mindestens als ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator und ein NOx-Absorber ausgebildet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, wobei eine Abgasrückführeinrichtung (22, 23, 24) zur Rückführung des von der Verbrennungskammer (5) ausgegebenen Abgases in einen Motoransaugkanal (18) vorgesehen ist, und das Inertgas aus dem rückgeführten Abgas besteht.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, wobei die Abgasrückführverhältnismenge mindestens etwa 55% beträgt, wenn die erste Verbrennung durchgeführt wird.
Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, wobei ein Motorbetriebsbereich in einen ersten Niedriglastbetriebsbereich, in dem die erste Verbrennung durchgeführt wird, und einen zweiten Hochlastbetriebsbereich, in dem die zweite Verbrennung durchgeführt wird, unterteilt ist.