DE69917966T2

DE69917966T2 - Selbszündende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69917966T2
Application number: DE69917966T
Authority: DE
Inventors: Nobumoto Toyota-shi Ohashi; Toshiaki Toyota-shi Tanaka; Eiji Toyota-shi Iwasaki; Shinya Toyota-shi Hirota; Kouji Toyota-shi YOSHIZAKI; Kasuhiro Toyota-shi Itoh
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: EP0947685A3; EP0947685A2; EP0947685B1; JP3405183B2; DE69917966D1; JPH11280509A; US6101999A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Selbstzünder-Verbrennungsmotor.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bisher wurde bei einem Verbrennungsmotor wie zum Beispiel einem Dieselmotor die Entstehung von NOx dadurch unterdrückt, dass man die Motorabgasleitung und die Motoransaugleitung durch eine Rbgasrückführ(AGR)-Leitung verbunden hat, damit das Abgas, d.h. das AGR-Gas, durch die AGR-Leitung in die Motoransaugleitung zurückströmen kann. In diesem Fall hat das AGR-Gas eine relativ hohe spezifische Wärme und kann daher eine große Wärmemenge absorbieren, sodass die Verbrennungstemperatur in der Motoransaugleitung um so niedriger ist, je größer die AGR-Gasmenge, d.h., je höher die AGR-Rate (AGR-Gasmenge/(AGR-Gasmenge + Ansaugluftmenge)) ist. Wenn die Verbrennungstemperatur sinkt, nimmt die erzeugte NOx-Menge ab, sodass die erzeugte NOx-Menge umso niedriger ist, je höher der AGR-Anteil ist.
Auf diese Weise konnte die erzeugte NOx-Menge in der Vergangenheit umso stärker abnehmen, je höher die AGR-Rate war. Wenn die AGR-Rate erhöht wird, beginnt jedoch die erzeugte Rußmenge, d.h. der Rauch, stark zuzunehmen, wenn die AGR-Rate einen bestimmten Grenzwert überschreitet. An dieser Stelle nahm man früher an, dass der Rauch mit wachsender AGR-Rate unbegrenzt zunehmen würde. Deshalb war man der Ansicht, dass es sich bei der AGR-Rate, bei der die erzeugte Rauchmenge stark zuzunehmen beginnt, um den höchstzulässigen Grenzwert der AGR-Rate handelt.
Deshalb wurde die AGR-Rate bisher in einem Bereich gewählt, der den höchstzulässigen Grenzwert nicht überschreitet (siehe beispielsweise die ungeprüfte Japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 4-334750). Der maximal zulässige Grenzwert der AGR-Rate variierte je nach Motortyp und Kraftstoffart beträchtlich und lag etwa zwischen 30 und 50 %. Bei herkömmlichen Dieselmotoren wurde die AGR-Rate daher auf maximal 30 bis 50 % begrenzt.
Da man früher davon ausging, dass es für die AGR-Rate einen maximal zulässigen Grenzwert gibt, wählte man die AGR-Rate so, dass die erzeugte NOx- und Rauchmenge innerhalb eines Bereiches, der den maximal zulässigen Grenzwert nicht überschreitet, möglichst gering ist. Selbst wenn man auf diese Weise die AGR-Rate so wählt, dass die erzeugte NOx- und Rauchmenge so gering wie möglich ist, stößt die Verringerung der erzeugten NOx- und Rauchmenge auf Grenzen. In der Praxis wird daher immer noch eine beträchtliche NOx- und Rauchmenge erzeugt.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde jedoch im Rahmen von Untersuchungen der Verbrennung in Dieselmotoren gefunden, dass beim Erhöhen der AGR-Rate über den maximal zulässigen Grenzwert hinaus die erzeugte Rauchmenge in der beschriebenen Weise stark zunimmt, dass es jedoch einen Maximalwert der erzeugten Rauchmenge gibt und nach dessen Überschreiten bei weiterer Erhöhung der AGR-Rate die Rauchmenge stark abnimmt und dass die erzeugte Rauchmenge fast auf null zurückgeht, d.h., dass fast kein Ruß erzeugt wird, wenn die AGR-Rate während des Motorleerlaufs auf mindestens 70 % erhöht oder wenn das AGR-Gas zwangsgekühlt und die AGR-Rate zu mindestens 55 % gewählt wird. Ferner wurde gefunden, dass die erzeugte NOx-Menge dann äußerst niedrig ist. Ausgehend von dieser Entdeckung wurden weitere Untersuchungen durchgeführt, um zu untersuchen, warum kein Ruß entsteht, und schließlich ein neues Verbrennungssystem konstruiert, mit dem man gleichzeitig die erzeugte NOx-Menge und die Rußmenge stärker als jemals zuvor verringern kann. Dieses neue Verbrennungssystem wird im Folgenden ausführlich erläutert; es beruht aber kurz gesagt auf der Idee, dass man das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zu Ruß in einem Stadium unterbricht, bevor die Kohlenwasserstoffe wachsen.
Durch die wiederholten Experimente und Untersuchungen wurde also gefunden, dass das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zu Ruß in einem Stadium unterbrochen wird, bevor das Wachstum eintritt, wenn die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases während der Verbrennung in der Verbrennungskammer unterhalb einer bestimmten Temperatur liegen, und dass die Kohlenwasserstoffe unverzüglich zu Ruß wachsen, wenn die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases eine bestimmte Temperatur überschreiten. In diesem Fall werden die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases stark durch die wärmeabsorbierende Wirkung des während der Verbrennung des Kraftstoffs den Kraftstoff umgebenden Gases beeinflusst. Durch Anpassung der durch das den Kraftstoff umgebende Gas absorbierten Wärmemenge an die während der Verbrennung des Kraftstoffs erzeugte Wärmemenge ist man in der Lage, die Tem peraturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases zu steuern.
Deshalb wird kein Ruß mehr erzeugt, wenn man die Temperaturen des Kraftstoffs und des während der Verbrennung in der Verbrennungskammer den Kraftstoff umgebenden Gases unter diejenige Temperatur absenkt, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoffe unterbrochen wird. Die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases während der Verbrennung in der Verbrennungskammer können unter diejenige Temperatur abgesenkt werden, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoffe unterbrochen wird, indem man die Wärmemenge einstellt, die durch das Gas um den Kraftstoff herum absorbiert wird. Andererseits können die Kohlenwasserstoffe, deren Wachstum unterbrochen wurde, bevor aus ihnen Ruß wurde, durch eine Nachbehandlung mittels eines Oxidationskatalysator usw. leicht beseitigt werden. Dieser Grundgedanke liegt diesem neuartigen Verbrennungssystem zugrunde.
Bei diesem neuen Verbrennungsverfahren wird zwar wie oben erläutert kein Ruß erzeugt, aber es werden Kohlenwasserstoffe freigesetzt, sodass man zu deren Beseitigung in die Motorabgasleitung einen Katalysator mit Oxidationswirkung usw. einbauen muss. Ein Katalysator mit Oxidationswirkung usw. ist jedoch mit Platin oder einem anderen Edelmetall beschichtet. Das Edelmetall kann allmählich oxidieren, wenn es ständig einer sauerstoffreichen Umgebung ausgesetzt wird. Wenn das Edelmetall oxidiert, nehmen die Aktivität des Katalysators, d.h. seine Oxidationswirkung, und allmählich auch seine Wirkung zum Beseitigen der Kohlenwasserstoffe ab.
In diesem Fall ist es jedoch möglich, die Aktivität des Katalysators zu regenerieren, indem man die Temperatur des Katalysatorbettes erhöht und das Luftkraftstoffverhältnis fetter macht. Wenn man nämlich das Luftkraftstoffverhältnis bei einer niedrigen Temperatur des Katalysatorbettes fetter macht, bedecken die unverbrannten Kohlenwasserstoffe die Oberfläche des Edelmetalls, sodass die Aktivität des Katalysators nicht weiter abnimmt. Wenn das Luftkraftstoffverhältnis hingegen bei einer hohen Temperatur des Katalysatorbettes fetter gemacht wird, wird der an das Edelmetall gebundene Sauerstoff zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe verbraucht, sodass das Edelmetall reduziert und somit die Aktivität des Katalysators wiederhergestellt wird.
Auf diese Weise ist es möglich, die Aktivität des Katalysators zu wiederherzustellen, indem man die Temperatur des Katalysatorbettes erhöht und das Luftkraftstoffverhältnis fett macht. Wenn man jedoch einen herkömmlichen Dieselmotor mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis betreibt, wird eine große Rußmenge erzeugt. Deshalb kann einen herkömmlichen Dieselmotor nicht mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis betreiben. Im Gegensatz dazu wird bei dem oben erläuterten neuen Verbrennungsverfahren, wie später beschrieben wird, auch dann fast kein Ruß erzeugt, wenn die Temperatur des Katalysatorbettes ansteigt und das Luftkraftstoffverhältnis fett wird. Mit dem neuen Verbrennungsverfahren kann man also leicht einen Verbrennungszustand herstellen, bei dem die Temperatur des Katalysatorbettes hoch und das Luftkraftstoffverhältnis fett ist.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegende Erfindung besteht darin, einen Selbstzündermotor bereitzustellen, bei dem durch Anwendung dieses neuen Verbrennungsverfahrens eine Abnahme der Aktivität des mit einem Edelmetall beschichteten Katalysators verhindert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Selbstzündermotor bereitgestellt, bei dem eine erzeugte Rußmenge allmählich zunimmt und dann einen Maximalwert erreicht, wenn eine in eine Verbrennungskammer eingeleitete Inertgasmenge zunimmt, und bei dem eine weitere Zunahme der in die Verbrennungskammer eingeleiteten Inertgasmenge zu einer Absenkung der Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Verbrennungskammer unter eine Bildungstemperatur von Ruß führt, sodass kein Ruß mehr gebildet wird, wobei der Motor Folgendes umfasst: einen in einer Motorabgasleitung angeordneten und mit einem Edelmetall beschichteten Katalysator; ein Schaltmittel zum selektiven Schalten zwischen einer ersten Verbrennung, bei welcher die in die Verbrennungskammer eingeleitete Inertgasmenge größer ist als diejenige Inertgasmenge, bei welcher die maximale Rußmenge erzeugt wird, sodass fast kein Ruß entsteht, und einer zweiten Verbrennung, bei welcher die in die Verbrennungskammer eingeleitete Inertgasmenge kleiner ist als diejenige Inertgasmenge, bei welcher die maximale Rußmenge erzeugt wird; und ein Luftkraftstoffverhältnis-Steuermittel, um ein Luftkraftstoffverhältnis während der ersten Verbrennung zumindest zeitweise fett zu machen, wenn von der ersten zur zweiten Verbrennung bzw. von der zweiten zur ersten Verbrennung umgeschaltet wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung lässt sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsarten der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstehen, in denen:
1 eine Gesamtansicht eines Selbstzündermotors ist;
2 die erzeugte Rauch- und NOx-Menge zeigt;
3A und 3B den Verlauf des Verbrennungsdrucks zeigen;
4 eine Darstellung eines Kraftstoffmoleküls ist;
5 ein Diagramm der Beziehung zwischen der erzeugten Rauchmenge und der AGR-Rate ist;
6 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und der Mischgasmenge ist;
7A und 7B Diagramme der Änderung der mittleren Gastemperatur Tg in der Verbrennungskammer und der Temperatur Tf des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases sind;
8 ein Diagramm eines ersten Arbeitsbereichs I und eines zweiten Arbeitsbereichs II ist;
9 ein Diagramm einer Beziehung zwischen ΔL(N) und der Motordrehzahl N ist;
10 ein Diagramm des Ausgangssignals des Luftkraftstoffverhältnis-Sensors ist;
11 ein Diagramm des Öffnungsgrades einer Drosselklappe usw. ist;
12 ein Diagramm des Luftkraftstoffverhältnisses in einem ersten Arbeitsbereich I ist;
13A und 13B tabellarische Darstellungen des Ziel-Öffnungsgrades einer Drosselklappe usw. sind;
14 ein Diagramm eines Luftkraftstoffverhältnisses bei einer zweiten Verbrennung usw. ist;
15A und 15B tabellarische Darstellungen eines Ziel-Öffnungsgrades einer Drosselklappe usw. sind;
16 ein Diagramm einer Temperatur Ta des in einen Katalysator strömenden Abgases und der Temperaturen Tb und Tc des Katalysatorbettes ist;
17 ein Zeitdiagramm für das Umschalten von einer Niedertemperaturverbrennung zur zweiten Verbrennung ist;
18 ein Zeitdiagramm für das Umschalten von der zweiten Verbrennung zur Niedertemperaturverbrennung ist;
19 ein Ablaufdiagramm zur Steuerung des Motorbetriebs ist;
20 ein Diagramm des Luftkraftstoffverhältnisses im ersten Arbeitsbereich I ist;
21A und 21B tabellarische Darstellungen des Zielwertes des Öffnungsgrades der Drosselklappe usw. sind;
22 ein Ablaufdiagramm einer weiteren Ausführungsart zur Steuerung des Motorbetriebs ist;
23 eine Übersichtsdarstellung einer weiteren Ausführungsart eines Selbstzündermotors ist; und
24A und 24B Ansichten zur Erläuterung der NOx-Absorption und -Freisetzung sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSARTEN
1 ist eine Darstellung der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Viertakt-Selbstzündermotor.
1 zeigt einen Motorblock 1, einen Zylinderblock 2, einen Zylinderkopf 3, einen Kolben 4, eine Verbrennungskammer 5, eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6, ein Einlassventil 7, eine Einlassöffnung 8, ein Auslassventil 9 und eine Auslassöffnung 10. Die Einlassöffnung 8 ist über eine entsprechende Ansaugleitung 11 mit dem Ausgleichsbehälter 12 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 12 ist über eine Ansaugleitung 13 mit einem Luftfilter 14 verbunden. In die Ansaugleitung 13 ist ein durch eine Elektromotor 15 betriebene Drosselklappe 16 eingebaut. Auf der anderen Seite ist die Auslassöffnung 10 über einen Abgaskrümmer 17 und eine Abgasleitung 18 mit einer Katalysatoreinheit 20 verbunden, in welcher sich ein Oxidationskatalysator 19 befindet. Im Abgaskrümmer 17 ist ein Luftkraftstoffverhältnis-Sensor 21 angeordnet.
Der Abgaskrümmer 17 und der Ausgleichsbehälter 12 sind über eine Abgasrückführleitung 22 miteinander verbunden. In einer Abgasrückführleitung 22 ist ein elektrisch gesteuertes AGR-Steuerventil 23 angeordnet. Ferner ist um die Abgasrückführleitung 22 herum eine Kühlvorrichtung 24 zum Abkühlen des durch die Abgasrückführleitung 22 strömenden Abgases bereitgestellt. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsart wird das Motorkühlwasser zur Kühlvorrichtung 24 geleitet, wo das Abgas durch das Kühlwasser abgekühlt wird.
Auf der anderen Seite ist jede Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 6 über eine Kraftstoffzufuhrleitung 25 mit dem Kraftstoffvorrat bzw. einem Verteiler 26 verbunden.
Der Kraftstoff wird durch eine elektrisch betriebene Kraftstoffpumpe 27 mit variabler Fördermenge zum Verteiler 26 befördert. Der zum Verteiler 26 beförderte Kraftstoff wird durch jede Kraftstoffzufuhrleitung 25 zu den Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 6 befördert. An den Verteiler 26 ist ein Kraftstoffdrucksensor 28 zum Aufnehmen des Kraftstoffdrucks im Verteiler 26 angeschlossen. Die Fördermenge der Kraftstoffpumpe 27 wird durch das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 28 in der weise gesteuert, dass der Kraftstoffdruck im Verteiler 26 den Zielwert des Kraftstoffdrucks erreicht.
Die elektronische Steuereinheit 30 besteht aus einem digitalen Computer und ist mit einem ROM (Read Only Memory, Nur-Lese-Speicher) 32, einem RAM (Random Access Memory, Arbeitsspeicher) 33, einer CPU (Mikroprozessor) 34, einem an eine Konstantstromquelle angeschlossenen Sicherungs-Arbeitsspeicher 33a, einem Eingangsanschluss 35 und einem Ausgangsanschluss 36 ausgestattet, welche über einen bidirektionalen Bus 31 miteinander verbunden sind. Das Ausgangssignal des Luftkraftstoffverhältnis-Sensors 21 wird über einen entsprechenden AD-Umsetzer 37 in den Eingangsanschluss 35 eingegeben. Ferner wird das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 28 über einen entsprechenden AD-Umsetzer 37 in den Eingangsanschluss 35 eingegeben. Am Gaspedal 40 ist ein Lastsensor 41 angebracht, der eine Ausgangsspannung erzeugt, welche der Auslenkung L des Gaspedals 40 proportional ist. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über einen entsprechenden AD-Umsetzer 37 in den Eingangsanschluss 35 eingegeben. Ferner ist mit dem Eingangsanschluss 35 ein Kurbelwellenwinkel-Sensor 42 verbunden, der jedes Mal einen Ausgangsimpuls erzeugt, wenn die Kurbelwelle sich beispielsweise um 30° dreht. An den Ausgangsanschluss 36 wiederum sind über eine entsprechende Steuerschaltung 38 die Kraftstoffeinspritz vorrichtung 6, der Elektromotor 15, das AGR-Steuerventil 23 und die Kraftstoffpumpe 27 angeschlossen.
2 zeigt ein experimentelles Beispiel für die Änderungen des Ausgangsdrehmoments und die Änderungen der ausgestoßenen Mengen an Rauch, HC, CO und NOx, wenn während des Niederlastbetriebs des Motors das Luftkraftstoffverhältnis L/K (Abszisse von 2) durch Änderung des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16 und der AGR-Rate geändert wird. Wie 2 zeigt, steigt bei diesem Experiment die AGR-Rate mit kleiner werdendem Luftkraftstoffverhältnis L/K an. Unterhalb des stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnisses (= 14,6) erreicht die AGR-Rate einen Wert von mehr als 65 Prozent.
2 zeigt, dass die erzeugte Rauchmenge anzusteigen beginnt, wenn man die AGR-Rate zur Verringerung des Luftkraftstoffverhältnisses L/K erhöht, wenn also die AGR-Rate etwa 40 % und das Luftkraftstoffverhältnis L/K einen Wert von 30 erreicht. Wenn man dann die AGR-Rate weiter erhöht und das Luftkraftstoffverhältnis L/K verringert, nimmt die erzeugte Rauchmenge rapide zu und erreicht einen Maximalwert. Wenn man dann die AGR-Rate weiter erhöht und das Luftkraftstoffverhältnis L/K weiter verringert, nimmt die erzeugte Rauchmenge rapide ab. Bei einer AGR-Rate von mehr als 65 % und einem Luftkraftstoffverhältnis L/K von etwa 15,0 geht die erzeugte Rauchmenge praktisch auf null zurück. Das heißt, es wird fast kein Ruß mehr erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt verringert sich das Ausgangsdrehmoment etwas, und die erzeugte NOx-Menge nimmt deutlich ab, während die erzeugten Mengen an HC und CO zuzunehmen beginnen.
3A zeigt die Änderungen des Kompressionsdrucks in der Verbrennungskammer 5, wenn die erzeugte Rauchmenge bei einem Luftkraftstoffverhältnis L/K von etwa 21 am größten ist. 3B zeigt die Änderungen des Kompressionsdrucks in der Verbrennungskammer 5, wenn die erzeugte Rauchmenge bei einem Luftkraftstoffverhältnis L/K von etwa 18 praktisch auf null zurückgeht. Aus dem Vergleich zwischen 3A und 3B erkennt man, dass der Verdichtungsdruck bei dem in 3B gezeigten Fall, bei dem die erzeugte Rauchmenge praktisch null beträgt, niedriger ist als bei dem in 3A gezeigten Fall, bei dem die erzeugte Rauchmenge groß ist.
Ausgehend von den Ergebnissen der in 2 und 3A und 3B gezeigten Experimente lässt sich Folgendes sagen. Erstens, wenn das Luftkraftstoffverhältnis L/K kleiner als 15,0 und die erzeugte Rauchmenge praktisch gleich null ist, nimmt die erzeugte NOx-Menge gemäß 2 deutlich ab. Mit dem Rückgang der erzeugten NOx-Menge ist eine Absenkung der Temperatur in der Verbrennungskammer 5 verbunden. Deshalb kann man sagen, dass die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 sinkt, wenn fast kein Ruß erzeugt wird. Dasselbe lässt sich bezüglich 3A und 3B sagen. Das heißt, dass bei dem in 3B gezeigten Zustand, bei dem fast kein Ruß erzeugt wird, der Verbrennungsdruck niedriger ist und deshalb die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 zu diesem Zeitpunkt sinkt.
Zweitens, wenn die erzeugte Rauchmenge, d.h. die erzeugte Rußmenge, gemäß 2 praktisch auf null zurückgeht, nimmt die ausgestoßene HC- und CO-Menge zu. Das bedeutet, dass die Kohlenwasserstoffe ausgestoßen werden, ohne zu Ruß zusammenzuwachsen. Das heißt, dass die im Kraftstoff enthaltenen und in 4 gezeigten geradkettigen und aromatischen Kohlenwasserstoffe zerfallen, wenn sie unter Sauerstoffmangel einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, was zur Bildung einer Vorstufe von Ruß führt. Anschließend wird Ruß gebildet, der hauptsächlich aus festen Aggregationen von Kohlenstoffatomen besteht. Im vorliegenden Fall ist der Prozess der Rußbildung selbst kompliziert. Es ist unklar, wie die Vorstufe des Rußes gebildet wird, aber auf jeden Fall wachsen die in 4 gezeigten Kohlenwasserstoffe über die Rußvorstufe zu Ruß zusammen. Deshalb nimmt die Menge des gemäß 2 ausgestoßenen HC und CO wie oben erläutert zu, wenn die erzeugte Rußmenge praktisch auf null zurückgeht, aber der HC liegt zu diesem Zeitpunkt als Rußvorstufe oder in einem Zustand der Kohlenwasserstoffe vor der Rußbildung vor.
Diese auf den Ergebnissen der in 2 und 3A und 3B gezeigten Experimente beruhenden Überlegungen lassen sich in der Weise zusammenfassen, dass die erzeugte Rußmenge praktisch auf null zurückgeht, wenn die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 niedrig ist. Zu diesem Zeitpunkt liegt eine Rußvorstufe oder ein Zustand der Kohlenwasserstoffe vor, die aus der Verbrennungskammer 5 ausgestoßen werden. Hierzu wurden weitere ausführliche Experimente und Untersuchungen durchgeführt. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wurde gefunden, dass der Prozess des Rußwachstums mittendrin unterbrochen und somit überhaupt kein Ruß erzeugt wird, wenn die Temperaturen des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in der Verbrennungskammer 5 unterhalb einer bestimmten Temperatur liegen, und dass Ruß erzeugt wird, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung in der Verbrennungskammer 5 höher als eine bestimmte Temperatur ist.
Die Temperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung, bei welcher der Prozess der Umwandlung der Kohlenwasserstoffe in der Phase der Rußvorstufe unterbrochen wird, d.h. die oben genannte bestimmte Temperatur, hängt von mehreren Faktoren ab wie zum Beispiel der Kraftstoffart, dem Luftkraftstoffverhältnis und dem Kompressionsverhältnis, sodass man kann keinen genauen Wert angeben kann; diese bestimmte Temperatur weist aber einen engen Zusammenhang zur erzeugten NOx-Menge auf. Deshalb lässt sich diese bestimmte Temperatur in gewissem Maße durch die erzeugte NOx-Menge definieren. Das heißt, je höher die AGR-Rate ist, desto niedriger ist die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases während der Verbrennung und desto geringer die erzeugte NOx-Menge. Zu diesem Zeitpunkt wird fast überhaupt kein Ruß mehr erzeugt, wenn die erzeugte NOx-Menge etwa 10 ppm oder weniger erreicht. Deshalb stimmt die oben genannte bestimmte Temperatur im wesentlichen mit derjenigen Temperatur überein, bei der die erzeugte NOx-Menge 10 ppm oder weniger erreicht.
Sobald Ruß entsteht, kann man diesen nicht durch eine Nachbehandlung mittels eines Oxidationskatalysators usw. beseitigen. Eine Rußvorstufe hingegen bzw. eine Kohlenwasserstoffphase vor der Rußentstehung läst sich leicht durch eine Nachbehandlung mittels eines Oxidationskatalysators usw. beseitigen. Bezüglich der Nachbehandlung mittels eines Oxidationskatalysators usw. stellt es einen sehr großen Unterschied dar, ob die Kohlenwasserstoffe in Form einer Rußvorstufe bzw. einer Kohlenwasserstoffphase vor der Rußentstehung oder in Form von Ruß aus der Verbrennungskammer 5 ausgestoßen werden. Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete neue Verbrennungssystem beruht auf der Idee, dass die Kohlenwasserstoffe in Form einer Rußvorstufe oder einer Kohlenwasserstoffphase vor der Rußentstehung aus der Verbrennungskammer 5 ausgestoßen werden, sodass es in der Verbrennungskammer 5 nicht zur Rußbildung kommt und die Kohlenwasserstoffe durch einen Oxidationskatalysator usw. oxidiert werden.
Um das Wachstum der Kohlenwasserstoffe in der Phase vor der Rußentstehung zu unterbrechen, ist es erforderlich, die Temperaturen des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Verbrennungskammer 5 zum Verbrennungszeitpunkt auf eine Tem peratur abzusenken, die unterhalb derjenigen Temperatur liegt, bei welcher Ruß entsteht. Dabei wurde gefunden, dass sich das Wärmeabsorptionsvermögen des den Kraftstoff umgebenden Gases während der Kraftstoffverbrennung äußerst stark auf die Absenkung der Temperaturen des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases auswirkt.
Das heißt, dass der verdampfte Kraftstoff sofort mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff reagiert und verbrennt, wenn sich um den Kraftstoff herum nur Luft befindet. In diesem Fall steigt die Temperatur der weiter vom Kraftstoff entfernten Luft nicht so stark an. Nur die Temperatur in unmittelbarer Nähe des Kraftstoffs steigt lokal extrem stark an. Das heißt, dass die weiter vom Kraftstoff entfernte Luft zu diesem Zeitpunkt die Verbrennungswärme des Kraftstoffs nicht sehr stark absorbiert. Da die Verbrennungstemperatur lokal extrem stark ansteigt, nehmen in diesem Fall die unverbrannten Kohlenwasserstoffe die Verbrennungswärme auf und bilden Ruß.
Wenn sich hingegen Kraftstoff in einem Mischgas aus einer großen Menge Inertgas und einer geringen Menge Luft befindet, liegt eine etwas andere Situation vor. In diesem Fall verteilt sich der verdampfte Kraftstoff in der Umgebung, reagiert mit dem im Inertgas enthaltenen Sauerstoff und verbrennt. In diesem Fall wird die Verbrennungswärme durch das umgebende Inertgas absorbiert, sodass die Verbrennungstemperatur nicht mehr so stark ansteigt. Das heißt, man kann die Verbrennungstemperatur niedrig halten. Das Vorhandensein von Intergas spielt bei der Absenkung der Verbrennungstemperatur eine wichtige Rolle. Durch das Wärmeabsorptionsvermögen des Inertgases kann man die Verbrennungstemperatur niedrig halten.
Um die Temperaturen des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases auf eine Temperatur unterhalb derjenigen Temperatur abzusenken, bei der Ruß entsteht, wird im vorliegenden Fall eine Inertgasmenge benötigt, die so viel Wärme absorbieren kann, dass die Temperaturen abgesenkt werden. Deshalb nimmt, die benötigte Inertgasmenge in demselben Maße zu, wie die Kraftstoffmenge ansteigt. Man beachte, dass das Wärmeabsorptionsvermögen mit zunehmender spezifischer Wärme des Inertgases ansteigt. Deshalb wählt man als Inertgas vorzugsweise ein Gas mit einer hohen spezifischen Wärme. Da CO₂ und AGR-Gas eine relativ hohe spezifische Wärme haben, kann man diesbezüglich sagen, dass die Verwendung von AGR-Gas als Inertgas vorzuziehen ist.
5 zeigt die Beziehung zwischen der AGR-Rate und der erzeugten Rauchmenge bei unterschiedlicher Kühlung durch AGR-Gas als Inertgas. In 5 zeigt Kurve A den Fall, bei dem das AGR-Gas zwangsgekühlt wurde, um die Temperatur des AGR-Gases auf etwa 90 °C zu halten; Kurve B zeigt den Fall, wenn das AGR-Gas durch eine kleindimensionierte Kühlvorrichtung gekühlt wurde, und Kurve C den Fall, wenn das AGR-Gas überhaupt nicht zwangsgekühlt wurde.
Die Kurve A in 5 zeigt, dass bei Zwangskühlung des AGR-Gases die erzeugte Rußmenge einen Maximalwert erreicht, wenn die AGR-Rate knapp unter 50 % liegt. In vorliegenden Fall wird fast kein Ruß mehr erzeugt, wenn die AGR-Rate auf mehr als 55 % angehoben wird.
Die Kurve B in 5 hingegen zeigt, dass bei schwacher Kühlung des AGR-Gases die erzeugte Rußmenge einen Maximalwert erreicht, wenn die AGR-Rate knapp über 50 % ansteigt. In diesem Fall wird fast kein Ruß mehr erzeugt, wenn die AGR-Rate auf über etwa 65 % angehoben wird.
Ferner zeigt die Kurve C in 5, dass die erzeugte Rußmenge bei fehlender Zwangskühlung des AGR-Gases einen Maximalwert erreicht, wenn die AGR-Rate bei 55 % liegt. In diesem Fall wird fast kein Ruß mehr erzeugt, wenn die AGR-Rate auf über etwa 70 % angehoben wird.
Man beachte, dass 5 die erzeugte Rauchmenge zeigt, wenn die Motorlast relativ hoch ist. Bei geringerer Motorlast nimmt die AGR-Rate, bei der die erzeugte Rußmenge einen Maximalwert erreicht, etwas ab, ebenso wie der untere Grenzwert der AGR-Rate, bei dem fast kein Ruß mehr erzeugt wird. Auf diese Weise ändert sich der untere Grenzwert der AGR-Rate, bei dem fast kein Ruß mehr erzeugt wird, in Abhängigkeit vom Grad der Abkühlung des AGR-Gases und von der Motorlast.
6 zeigt die Menge des Mischgases aus AGR-Gas und Luft, den Luftanteil im Mischgas und den Anteil von AGR-Gas im Mischgas, die erforderlich sind, um die Temperaturen des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases während der Verbrennung unter diejenige Temperatur abzusenken, bei welcher im Fall der Verwendung von AGR-Gas als Inertgas Ruß erzeugt wird. Man beachte, dass die Ordinate in 6 die Gesamtmenge des in die Verbrennungskammer 5 eingesaugten Gases zeigt. Die gestrichelte Linie Y zeigt die Gesamtmenge des Gases, die in die Verbrennungskammer 5 eingesaugt werden kann, wenn keine Aufladung erfolgt. Ferner zeigt die Abszisse die erforderliche Last. Z1 zeigt den Niederlastbereich.
Der Anteil der Luft, d.h. die Luftmenge im Mischgas, in 6 zeigt diejenige Luftmenge, die für die vollständige Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs erforderlich ist. Bei dem in 6 gezeigten Fall bedeutet das, dass das Luftkraftstoffverhältnis der Luftmenge und der eingespritzten Kraftstoffmenge stöchiometrisch ist. Andererseits zeigt in 6 der Anteil des AGR-Gases, d.h. die Menge des AGR-Gases im Mischgas, die Mindestmenge an AGR-Gas, die erforderlich ist, um die Temperaturen des Kraftstoffs und des umgebenden Gases unter die Temperatur abzusenken, bei der Ruß erzeugt wird. Die durch die AGR-Rate ausgedrückte AGR-Gasmenge beträgt mindestens etwa 55 % und bei der in 6 gezeigten Ausführungsart mindestens 70 %. Das heißt, wenn die durchgezogene Linie X in 6 die Gesamtmenge des in die Verbrennungskammer 5 eingesaugten Gases ist und das Verhältnis zwischen der Luftmenge und der AGR-Gasmenge in der Gesamtmenge des eingesaugten Gases dem Wert von 6 entspricht, sinken die Temperaturen des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases unter diejenige Temperatur, bei welcher Ruß entsteht, sodass überhaupt kein Ruß mehr erzeugt wird. Ferner beträgt gleichzeitig die erzeugte NOx-Menge etwa 10 ppm oder weniger und ist somit extrem gering.
Wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht wird, nimmt auch die bei der Verbrennung erzeugte Wärmemenge zu, sodass die durch das AGR-Gas absorbierte Wärmemenge erhöht werden muss, um die Temperaturen des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases unter derjenigen Temperatur zu halten, bei der Ruß entsteht. Deshalb muss gemäß 6 die AGR-Gasmenge bei Zunahme der eingespritzten Kraftstoffmenge erhöht werden. Das heißt, dass die AGR-Gasmenge bei steigender Last erhöht werden muss.
Im Lastbereich Z2 von 6 übersteigt die zum Unterbinden der Rußentstehung erforderliche Gesamtmenge des eingesaugten Gases diejenige Gesamtgasmenge Y, die angesaugt werden kann. Deshalb muss man, um die zum Unterbinden der Rußentstehung erforderliche Gesamtmenge X des in die Verbrennungskammer 5 eingesaugten Gases bereitzustellen, entweder sowohl das AGR- Gas als auch das Ansauggas oder das AGR-Gas aufladen oder komprimieren. Wenn man das AGR-Gas usw. nicht auflädt oder komprimiert, fällt im Lastbereich Z2 die Gesamtmenge X des Ansauggases mit der maximalen Gesamtmenge Y des Ansauggases zusammen. In diesem Fall verringert man daher zum Unterbinden der Rußentstehung die Luftmenge etwas, um die AGR-Gasmenge zu erhöhen, sodass der Kraftstoff in einer Phase mit fettem Luftkraftstoffverhältnis verbrannt wird.
6 zeigt wie oben erläutert den Fall der Kraftstoffverbrennung beim stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis. In dem in 6 gezeigten Niederlastbereich Z1 kann man auch bei Vorliegen eines fetten Luftkraftstoffverhältnisses die Rußbildung verhindern und die erzeugte NOx-Menge auf 10 ppm oder weniger einstellen, selbst wenn die Luftmenge kleiner als die in 6 gezeigte ist. Ferner kann man in dem in 6 gezeigten Niederlastbereich Z1 auch dann, wenn man die Luftmenge über die in 6 gezeigte Luftmenge hinaus erhöht, d.h., wenn man ein mittleres mageres Luftkraftstoffverhältnis von 17 bis 18 einstellt, die Rußbildung verhindern und die erzeugte NOx-Menge auf 10 ppm oder weniger einstellen.
Wenn man also ein fettes Luftkraftstoffverhältnis wählt, liegt ein Kraftstoffüberschuss vor, jedoch entsteht aus dem überschüssigen Kraftstoff kein Ruß, da die Kraftstofftemperatur auf eine niedrige Temperatur abgesenkt wird. Gleichzeitig wird außerdem auch nur eine sehr geringe Menge NOx erzeugt. Wenn hingegen das Luftkraftstoffverhältnis mager oder stöchiometrisch ist, entsteht eine geringe Menge Ruß, wenn die Verbrennungstemperatur ansteigt, jedoch wird die Verbrennungstemperatur bei der vorliegenden Erfindung auf eine niedrige Temperatur abgesenkt, sodass überhaupt kein Ruß ent steht. Ferner wird nur eine äußerst geringe Menge NOx erzeugt.
Auf diese Weise werden im Niederlastbereich Z1 unabhängig davon, ob das Luftkraftstoffverhältnis fett, stöchiometrisch oder mager ist, kein Ruß und nur äußerst wenig NOx erzeugt. Unter dem Gesichtspunkt der Kraftstoffeinsparung ist es somit ein mittleres mageres Luftkraftstoffverhältnis vorzuziehen.
Die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases während der Verbrennung in der Verbrennungskammer lässt sich allerdings nur bei relativ geringer Motorlast, wenn die durch die Verbrennung erzeugte Wärmemenge relativ gering ist, unter eine Temperatur absenken, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoffe mittendrin abgebrochen wird. Folglich wird bei dieser Ausführungsart der vorliegenden Erfindung bei relativ geringer Motorlast die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases unter diejenige Temperatur abgesenkt, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoffe mittendrin unterbrochen wird; es wird also eine erste bzw. Niedertemperaturverbrennung durchgeführt. Wenn die Motorlast relativ hoch ist, wird eine zweite oder herkömmliche normale Verbrennung durchgeführt. Man beachte, dass unter der ersten bzw. Niedertemperaturverbrennung, die bis hierher erläutert wurde, eine Verbrennung zu verstehen ist, bei der die Inertgasmenge in der Verbrennungskammer größer ist als die diejenige Inertgasmenge, bei der die erzeugte Rußmenge einen Maximalwert erreicht wird, sodass fast kein Ruß entsteht, während unter der zweiten bzw. herkömmlichen normalen Verbrennung eine Verbrennung zu verstehen ist, bei der die Inertgasmenge in der Verbrennungskammer geringer ist als die Inertgasmenge, bei welcher die erzeugte Rußmenge einen Maximalwert erreicht.
Die durchgezogene Linie in 7A zeigt den Zusammenhang zwischen der mittleren Gastemperatur Tg in der Verbrennungskammer 5 für die erste Verbrennung und dem Kurbelwellenwinkel. Die gestrichelte Linie in 7A zeigt den Zusammenhang zwischen der mittleren Gastemperatur Tg in der Verbrennungskammer 5 für die zweite Verbrennung und dem Kurbelwellenwinkel. Ferner zeigt die durchgezogene Linie in 7B den Zusammenhang zwischen der Temperatur Tf des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases für die erste Verbrennung und dem Kurbelwellenwinkel. Die gestrichelte Linie in 7B zeigt den Zusammenhang zwischen der Temperatur Tf des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases für die zweite Verbrennung und dem Kurbelwellenwinkel.
Wenn die erste bzw. Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, ist die AGR-Gasmenge größer als bei der zweiten bzw. herkömmlichen normalen Verbrennung, ist gemäß 7A vor dem oberen Totpunkt bzw. während des Verdichtungstakts die durch die ausgezogene Linie dargestellte mittlere Temperatur Tg des Gases während der ersten Verbrennung höher ist als die durch die gestrichelte Linie dargestellte mittlere Temperatur Tg des Gases während der zweiten Verbrennung. Man beachte, dass dann gemäß 7B die Temperatur Tf des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases im Wesentlichen gleich der mittleren Temperatur Tg des Gases ist.
Dann beginnt in der Nähe des oberen Totpunktes des Verdichtungstakts die Verbrennung, wobei im vorliegenden Fall bei Durchführung der in 7B durch die durchgezogene Linie dargestellten ersten Verbrennung die Temperatur Tf des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases nicht so weit ansteigt. Wenn hingegen die in 7B durch die unterbrochene Linie dargestellte zweite Verbrennung durchgeführt wird, steigt die Temperatur Tf des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases außerordentlich an. Wenn die zweite Verbrennung auf diese Weise stattfindet, steigt die Temperatur Tf des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases wesentlich höher als bei der ersten Verbrennung, während die Temperatur des anderen Gases, welches den Hauptbestandteil bildet, bei der zweiten Verbrennung niedriger ist als bei der ersten Verbrennung. Gemäß 7A steigt die mittlere Temperatur Tg des Gases in der Verbrennungskammer 5 in der Nähe des oberen Totpunktes des Verdichtungstakts bei der ersten Verbrennung höher an als bei der zweiten Verbrennung. Das führt gemäß 7A dazu, dass die mittlere Temperatur Tg des Gases in der Verbrennungskammer 5 nach dem Ende der Verbrennung, also in der zweiten Hälfte des Arbeitstakts, die Temperatur des verbrannten Gases in der Verbrennungskammer 5 bei der ersten Verbrennung höher ansteigt als bei der zweiten Verbrennung.
Wenn die erste bzw. Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, ist die Temperatur Tf des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases während der Verbrennung im Vergleich zur zweiten Verbrennung sehr niedrig, während umgekehrt die Temperatur des verbrannten Gases in der Verbrennungskammer 5 im Vergleich zur zweiten Verbrennung höher ansteigt, sodass die Temperatur des aus der Verbrennungskammer 5 strömenden Abgases ebenfalls höher ansteigt als bei Durchführung der zweiten Verbrennung.
8 zeigt einen ersten Arbeitsbereich I, in welchem die erste bzw. Niedertemperaturverbrennung stattfindet, und einen zweiten Arbeitsbereich II, in welchem die zweite bzw. Verbrennung nach dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren erfolgt. Man beachte, dass die Abszisse L in 8 die Auslenkung des Gaspedals 40 bzw. die angeforderte Last und die Ordinate N die Motordrehzahl zeigt. Ferner zeigt in 8 X(N) eine erste Grenzlinie zwischen dem ersten Arbeitsbereich I und dem zweiten Arbeitsbereich II, während Y(N) eine zweite Grenzlinie zwischen dem ersten Arbeitsbereich I und dem zweiten Arbeitsbereich II zeigt. Der Wechsel vom ersten Arbeitsbereich I zum zweiten Arbeitsbereich II wird durch die erste Grenzlinie X(N) und der Wechsel vom zweiten Arbeitsbereich II zum ersten Arbeitsbereich I durch die zweite Grenzlinie Y(N) bestimmt.
Das heißt, wenn sich der Motor im ersten Arbeitsbereich I befindet und die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird und die angeforderte Last L die erste Grenzlinie X(N) überschreitet, welche eine Funktion der Motordrehzahl ist, bedeutet dies, dass der Wechsel zum zweiten Arbeitsbereich II erfolgt ist und das herkömmliche Verbrennungsverfahren durchgeführt wird. Wenn die angeforderte Last L die zweite Grenzlinie Y(N) unterschreitet, welche eine Funktion der Motordrehzahl N ist, bedeutet dies, dass der Wechsel zum ersten Arbeitsbereich I erfolgt ist und die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird.
Man beachte, dass bei dieser Ausführungsart der vorliegenden Erfindung die zweite Grenzlinie Y(N) gegenüber der ersten Grenzlinie X(N) um ΔL(N) in Richtung der niedrigeren Last verschoben ist. 8 und 9 zeigen, dass ΔL(N) eine Funktion der Motordrehzahl N ist. ΔL(N) verringert sich mit zunehmender Motordrehzahl N.
Wenn die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, während sich der Motor im ersten Arbeitsbereich I befindet, wird fast kein Ruß erzeugt, jedoch werden stattdessen unverbrannte Kohlenwasserstoffe in Form einer Rußßvorstufe oder einer früheren Phase aus der Verbrennungskammer 5 ausgestoßen. Dann können die aus der Verbrennungskammer 5 ausgestoßenen unver brannten Kohlenwasserstoffe durch den Katalysator 19 mit der Oxidationsfunktion oxidiert werden.
Als Katalysator 19 kann ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator oder ein NOx-Absorber verwendet werden. Ein NOx-Absorber weist die Funktion auf, NOx zu absorbieren, wenn das mittlere Luftkraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 mager ist, und NOx wieder freizusetzen, wenn das mittlere Luftkraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 stöchiometrisch oder fett wird.
Der NOx-Absorber besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid als Trägermaterial, auf welchem sich zum Beispiel mindestens eines der Alkalimetalle Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und anderer Alkalimetalle, eines der Erdalkalimetalle Barium Ba, Calcium Ca und anderer Erdalkalimetalle, eines der Seltenerdmetalle Lanthan La, Yttrium Y und anderer Seltenerdmetalle zuzüglich des Edelmetalls Platin Pt oder eines anderen Edelmetalls befindet.
Selbstverständlich hat der Oxidationskatalysator eine Oxidationsfunktion, ebenso wie auch der Dreiwegekatalysator und der NOx-Absorber, sodass auch der Dreiwegekatalysator und der NOx-Absorber in der oben beschriebenen Weise als Katalysator 19 eingesetzt werden können.
10 zeigt das Ausgangssignal des Luftkraftstoffverhältnis-Sensors 21. Der in 10 gezeigte Strom I des Ausgangssignals des Luftkraftstoffverhältnis-Sensors 21 ändert sich mit dem Luftkraftstoffverhältnis L/K. Daher ist man in der Lage, aus dem Strom I des Ausgangssignals des Luftkraftstoffverhältnis-Sensors 21 das Luftkraftstoffverhältnis zu ermitteln.
Die Steuerung des Motorbetriebs im ersten Arbeitsbereich I und im zweiten Arbeitsbereich II wird im Folgenden unter Bezug auf 11 erläutert.
11 zeigt den Öffnungsgrad der Drosselklappe 16, den Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23, die AGR-Rate, das Luftkraftstoffverhältnis, den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge in Abhängigkeit von der angeforderten Last. 11 zeigt, dass im ersten Arbeitsbereich I mit der niedrigen angeforderten Last L der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 mit steigender Last allmählich von der völlig geschlossenen bis zur halb geöffneten Stellung zunimmt, während der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 mit steigender Last allmählich von der völlig geschlossenen bis zur ganz geöffneten Stellung zunimmt. Ferner beträgt die AGR-Rate bei dem in 11 gezeigten Beispiel im ersten Arbeitsbereich I etwa 70 %, und das Luftkraftstoffverhältnis ist leicht mager.
Mit anderen Worten, im ersten Arbeitsbereich I werden der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 und der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 so gesteuert, dass die AGR-Rate etwa 70 % erreicht und das Luftkraftstoffverhältnis leicht mager wird. Man beachte, dass das Luftkraftstoffverhältnis dabei an den Zielwert des Luftkraftstoffverhältnisses angenähert wird, indem der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 entsprechend dem Ausgangssignal des Luftkraftstoffverhältnis-Sensors 21 korrigiert wird. Ferner wird der Kraftstoff im ersten Arbeitsbereich I vor dem oberen Totpunkt TDC des Verdichtungstakts eingespritzt. In diesem Fall wird der Startzeitpunkt θS der Einspritzung umso stärker verzögert, je höher die angeforderte Last L ist. Der Endzeitpunkt θE der Einspritzung wird ebenfalls umso stärker verzögert, je stärker der Startzeitpunkt θS der Einspritzung verzögert wird.
Man beachte, dass die Drosselklappe 16 im Leerlauf vollständig geschlossen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das AGR-Steuerventil 23 ebenfalls vollständig geschlossen. Wenn die Drosselklappe 16 vollständig geschlossen wird, nimmt der Druck in der Verbrennungskammer 5 zu Beginn des Verdichtungstakts ab, sodass der Verdichtungsdruck niedrig ist. Wenn der Verdichtungsdruck niedrig ist, ist die durch den Kolben 4 geleistete Verdichtungsarbeit geringer, sodass der Motorblock 1 weniger Schwingungen ausgesetzt ist. Das heißt, dass die Drosselklappe 16 während des Leerlaufs vollständig geschlossen werden kann, um die Schwingungen des Motorblocks 1 zu unterdrücken.
Wenn der Motor im ersten Arbeitsbereich I arbeitet, wird fast kein Ruß oder NOx erzeugt, und die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe in Form einer Rußvorstufe oder deren vorangehender Phase können durch den Katalysator 19 oxidiert werden.
Wenn der Betriebszustand des Motors jedoch vom ersten Arbeitsbereich I zum zweiten Arbeitsbereich II wechselt, wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 schrittweise von der halb geöffneten Stellung bis zur vollständig geöffneten Stellung erhöht. Dann geht die AGR-Rate bei dem in 11 gezeigten Beispiel schrittweise von etwa 70 % bis unter 40 zurück, und das Luftkraftstoffverhältnis wird schrittweise erhöht. Da die AGR-Rate den Bereich der AGR-Raten (5) überspringt, in welchem große Rauchmengen erzeugt werden, entstehen dadurch keine größeren Rauchmengen mehr, wenn der Betriebszustand des Motors vom ersten Arbeitsbereich I zum zweiten Arbeitsbereich II wechselt.
Im zweiten Arbeitsbereich II findet die herkömmliche Verbrennung statt. Bei diesem Verbrennungsverfahren werden zwar etwas Ruß und NOx erzeugt, allerdings ist der thermische Wir kungsgrad höher als bei der Niedertemperaturverbrennung; wenn also der Betriebszustand des Motors vom ersten Arbeitsbereich I zum zweiten Arbeitsbereich II wechselt, wird die Einspritzmenge gemäß 11 schrittweise verringert.
Im zweiten Arbeitsbereich II bleibt die Drosselklappe 16 fast gänzlich geöffnet, und der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 wird mit zunehmender angeforderter Last L allmählich verringert. Deshalb nimmt die AGR-Rate im Arbeitsbereich II mit zunehmender angeforderter Last L ab, und das Luftkraftstoffverhältnis wird entsprechend kleiner. Allerdings bleibt das Luftkraftstoffverhältnis auch noch bei einer hohen angeforderten Last L noch mager. Ferner wird der Startzeitpunkt θS der Einspritzung im zweiten Arbeitsbereich II unmittelbar zum oberen Totpunkt TDC des Verdichtungstakts verlegt.
12 zeigt das Luftkraftstoffverhältnis L/K im ersten Arbeitsbereich I. In 12 zeigen die Kurven L/K = 15,5, L/K = 16, L/K = 17 und L/K = 18 die entsprechenden Luftkraftstoffverhältnisse 15,5, 16, 17 bzw. 18. Die Luftkraftstoffverhältnisse zwischen den Kurven werden durch lineare Interpolation ermittelt. Gemäß 12 ist das Luftkraftstoffverhältnis im ersten Arbeitsbereich mager. Ferner wird das Luftkraftstoffverhältnis L/K im ersten Arbeitsbereich I immer magerer, je geringer die angeforderte Last L ist.
Je geringer nämlich die angeforderte Last L ist, desto geringer ist auch die durch die Verbrennung erzeugte Wärmemenge. Je geringer die angeforderte Last L ist, umso mehr kann die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden, selbst wenn die AGR-Rate verringert wird. Wenn die AGR-Rate verringert wird, steigt das Luftkraftstoffverhältnis an. Deshalb wird das Luftkraftstoffverhältnis L/K gemäß 12 erhöht, wenn die angeforderte Last L abnimmt. Je größer das Luftkraft stoffverhältnis L/K wird, desto günstiger wird der Kraftstoffverbrauch. Um also das Luftkraftstoffverhältnis L/K so mager wie möglich einzustellen, wird es bei der Ausführungsart der vorliegenden Erfindung in dem Maße erhöht, wie die angeforderte Last L abnimmt.
Man beachte, dass die Zielwerte für den Öffnungsgrad ST der. Drosselklappe 16, die zum Annähern des Luftkraftstoffverhältnisses an die in 12 gezeigten Ziel-Luftkraftstoffverhältnisse benötigt werden, vorher im ROM 32 als Funktion der angeforderten Last L und der Motordrehzahl N in Form einer Tabelle wie in 13A gespeichert werden. Ferner werden die Zielwerte für den Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23, die zum Annähern des Luftkraftstoffverhältnisses an die in 12 gezeigten Ziel-Luftkraftstoffverhältnisse benötigt werden, vorher im ROM 32 als Funktion der angeforderten Last L und der Motordrehzahl N in Form einer Tabelle wie in 13B gespeichert.
14 zeigt den Zielwert des Luftkraftstoffverhältnisses während der zweiten Verbrennung, das heißt während der normalen Verbrennung nach dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren. Man beachte, dass die Kurven L/K = 24, L/K = 35, L/K = 45 und L/K = 60 in 14 die Ziel-Luftkraftstoffverhältnisse 24, 35, 45 bzw. 60 darstellen. Die Zielwerte des Öffnungsgrades ST der Drosselklappe 16, die zum Annähern des Luftkraftstoffverhältnisses an diese Ziel-Luftkraftstoffverhältnisse benötigt werden, werden vorher als Funktion von der angeforderten Last L und der Motordrehzahl N im ROM 32 in Form einer Tabelle wie in 15A gespeichert. Die Zielwerte des Öffnungsgrades SE des AGR-Steuerventils 23, die zum Annähern des Luftkraftstoffverhältnisses an diese Ziel-Luftkraftstoffverhältnisse benötigt werden, werden vorher als Funktion von der angeforderten Last L und der Motordrehzahl N im ROM 32 in Form einer Tabelle wie in 15B gespeichert.
16 zeigt die Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Temperaturen und der angeforderten Last L. In 16 zeigt Ta die Temperatur des in den Katalysator 19 strömenden Abgases, wenn die erste bzw. Niedertemperaturverbrennung im ersten Arbeitsbereich I durchgeführt wird, während Tb gleichzeitig die Temperatur des Katalysatorbettes des Katalysators 19 zeigt. Ferner zeigt Tc die Temperatur des Katalysatorbettes des Katalysators 19, wenn die zweite Verbrennung im ersten Arbeitsbereich I und im zweiten Arbeitsbereich II durchgeführt wird.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, dass die Abgastemperatur bei der Niedertemperaturverbrennung höher ist als bei der Durchführung der zweiten Verbrennung, sodass bei gleicher angeforderter Last L die Temperatur Ta des Abgases während der Niedertemperaturverbrennung höher ist als die Temperatur Tc des Katalysatorbettes während der zweiten Verbrennung. Auch bei Durchführung der Niedertemperaturverbrennung nimmt die während der Verbrennung erzeugte Wärmemenge mit steigender Last L zu, sodass die Temperatur Ta des in den Katalysator 19 strömenden Abgases umso höher ist, je höher die Last L ist. Während der Niedertemperaturverbrennung verlassen andererseits große Mengen von nicht verbranntem HC und CO den Motor, sodass die Temperatur Tb des Katalysatorbettes des Katalysators 19 durch die Wärme der Oxidationsreaktion des nicht verbrannten HC und CO wesentlich höher wird als die Temperatur Ta des in den Katalysator 19 strömenden Abgases.
Bei dieser Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird das Luftkraftstoffverhältnis gemäß 12 und 14 in beiden Fällen mager eingestellt, bei Durchführung der ersten Verbrennung wie auch bei Durchführung der zweiten Verbrennung.
Wenn die Verbrennung jedoch wie oben erläutert in dieser Weise mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis fortgesetzt wird, führt dies zur Oxidation des im Katalysator 19 befindlichen Edelmetalls, sodass die Aktivität des Katalysators 19 abnimmt. In diesem Fall kann man die Aktivität des Katalysators 19 wiederherstellen, indem man bei hoher Temperatur des Katalysatorbettes ein fettes Luftkraftstoffverhältnis einstellt.
16 zeigt jedoch, dass die Temperatur Tb des Katalysatorbettes bei Durchführung der Niedertemperaturverbrennung ansteigt. Ferner entsteht bei Durchführung der Niedertemperaturverbrennung kein Ruß, obwohl das Luftkraftstoffverhältnis fett ist. Deshalb wird bei der vorliegenden Erfindung bei Durchführung der Niedertemperaturverbrennung ein fettes Luftkraftstoffverhältnis gewählt, um die Aktivität des Katalysators 19 wiederherzustellen.
16 zeigt, dass bei Durchführung der Niedertemperaturverbrennung die Temperatur Tb des Katalysatorbettes umso mehr ansteigt, je höher die angeforderte Last L ist. Mit anderen Worten, die Temperatur Tb des Katalysatorbettes erreicht ihren Höchstwert, unmittelbar bevor der Motor vom ersten Arbeitsbereich I zum zweiten Arbeitsbereich II wechselt und unmittelbar nachdem der Motor vom zweiten Arbeitsbereich II zum ersten Arbeitsbereich II wechselt. Deshalb wird bei der ersten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung das Luftkraftstoffverhältnis unmittelbar vor dem Wechsel des Motors vom ersten Arbeitsbereich I zum zweiten Arbeitsbereich II und unmittelbar nach dem Wechsel des Motors vom zweiten Arbeitsbereich II zum ersten Arbeitsbereich I auf fett umgestellt.
Dies wird im Folgenden unter Bezug auf 17 und 18 genauer erläutert. 17 zeigt den Fall, bei dem die angeforderte Last L zum Zeitpunkt t₀ die erste Grenzlinie X(N) überschreitet. Bei der ersten Ausführungsart wird gemäß 17 auch bei Überschreiten der ersten Grenzlinie X(N) durch die angeforderte Last L die Niedertemperaturverbrennung noch während der Zeitspanne t₁ fortgesetzt und so lange das Luftkraftstoffverhältnis auf fett eingestellt. Nach Ablauf der Zeitspanne t1 wird dann die Drosselklappe 16 schrittweise geöffnet und zur zweiten Verbrennung umgeschaltet.
18 zeigt hingegen den Fall, bei dem die angeforderte Last L die zweite Grenzlinie Y(N) unterschreitet. Wenn die angeforderte Last L gemäß 18 analog die zweite Grenzlinie Y(N) unterschreitet, geht die Drosselklappe 16 schrittweise zu, und es wird von der zweiten zur ersten Verbrennung umgeschaltet. Während des Umschaltens von der zweiten zur ersten Verbrennung wird für die Zeitdauer t2 das Luftkraftstoffverhältnis fett eingestellt.
Im Folgenden wird unter Bezug auf 19 die Steuerung der Betriebszustände erläutert.
Zuerst wird in Schritt 100 von 19 geprüft, ob die Markierung I gesetzt ist, welche anzeigt, dass der Betriebszustand des Motors sich im ersten Arbeitsbereich I befindet. Wenn die Markierung I gesetzt ist, wenn sich also der Betriebszustand des Motors im ersten Arbeitsbereich I befindet, geht die Routine weiter zu Schritt 101, um zu prüfen, ob die angeforderte Last L oberhalb der ersten Grenzlinie X(N) liegt. Wenn L ≤ X(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 106, wo die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird.
Das bedeutet, dass in Schritt 106 aus der in 13A gezeigten Tabelle der Zielwert ST des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16 berechnet und der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf diesen Zielwert ST des Öffnungsgrades gebracht wird. Dann wird in Schritt 107 aus der in 13B gezeigten Tabelle der Zielwert SE des Öffnungsgrades des AGR-Steuerventils 23 berechnet und der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 auf diesen Zielwert SE des Öffnungsgrades gebracht. Dann wird in Schritt 108 geprüft, ob eine Markierung „fett" unmittelbar vor dem Umschalten von der Niedertemperaturverbrennung zur zweiten Verbrennung gesetzt ist. Wenn die Markierung „fett" nicht gesetzt ist, geht die Routine weiter zu Schritt 109, wo der Kraftstoff eingespritzt wird, um das in 12 gezeigte magere Luftkraftstoffverhältnis einzustellen. Dann wird mit diesem mageren Luftkraftstoffverhältnis die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt.
Wenn in Schritt 101 hingegen festgestellt wird, dass L > X(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 102, um zu prüfen, ob seit dem Überschreiten der Grenzlinie X(N) durch L eine Zeitspanne t₁ verstrichen ist. Wenn die Zeitspanne t₁ noch nicht verstrichen ist, geht die Routine weiter zu Schritt 103, wo die Markierung „fett" gesetzt wird. Wenn die Markierung „fett" gesetzt ist, durchläuft die Routine die Schritte 106, 107 und 108 bis 110, wo der Kraftstoff eingespritzt und ein fettes Luftkraftstoffverhältnis eingestellt wird.
Wenn in Schritt 102 festgestellt wird, dass die Zeitspanne t₁ verstrichen ist, geht die Routine weiter zu Schritt 104, wo die Markierung „fett" gesetzt wird, und dann weiter zu Schritt 105, wo die Markierung I zurückgesetzt wird. Dann geht die Routine weiter zu Schritt 116, wo die zweite Verbrennung stattfindet.
Das bedeutet, dass in Schritt 116 aus der in 15A gezeigten Tabelle der Zielwert ST des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16 berechnet und der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf diesen Zielwert ST des Öffnungsgrades gebracht wird. Dann wird in Schritt 117 aus der in 15B gezeigten Tabelle der Zielwert SE des Öffnungsgrades des AGR-Steuerventils 23 berechnet und der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 auf diesen Zielwert SE des Öffnungsgrades gebracht. Dann wird in Schritt 118 so viel Kraftstoff eingespritzt, dass ein in 14 gezeigtes mageres Luftkraftstoffverhältnis entsteht. Dabei findet die zweite Verbrennung mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis statt.
Wenn die Markierung I zurückgesetzt ist, geht die Routine im nächsten Arbeitszyklus von Schritt 100 weiter zu Schritt 111, wo geprüft wird, ob die angeforderte Last L nun unterhalb der zweiten Grenzlinie Y(N) liegt. Wenn L ≥ Y(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 116, wo die zweite Verbrennung mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis stattfindet.
Wird in Schritt 111 hingegen festgestellt, dass L < Y(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 112, wo geprüft wird, ob seit dem Unterschreiten der zweiten Grenzlinie Y(N) durch L die Zeitspanne t2 verstrichen ist. Wenn die Zeitspanne t₂ noch nicht verstrichen ist, geht die Routine weiter zu Schritt 113, wo die Markierung „fett" gesetzt wird. wenn die Markierung „fett" gesetzt ist, durchläuft die Routine die Schritte 106, 107 und 108 bis 110, wo so viel Kraftstoff eingespritzt wird, dass ein fettes Luftkraftstoffverhältnis eingestellt wird. Dabei erfolgt die Niedertemperaturverbrennung mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis.
Wenn in Schritt 112 festgestellt wird, dass die Zeitspanne t₂ verstrichen ist, geht die Routine weiter zum Schritt 114, wo die Markierung „fett" gesetzt wird, und weiter zu Schritt 115, wo die Markierung I gesetzt wird. Dann durchläuft die Routine die Schritte 106, 107 und 108 bis 109, wo die Nieder temperaturverbrennung mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis stattfindet.
Im Folgenden wird unter Bezug auf 20 eine zweite Ausführungsart erläutert.
20 zeigt das Luftkraftstoffverhältnis L/K im ersten Arbeitsbereich I. Die Kurven L/K = 14, L/K = 15,5, L/K = 16, L/K = 17 und L/K = 18 in 20 zeigen die Luftkraftstoffverhältnisse 14, 15,5, 16, 17 und 18. Die Luftkraftstoffverhältnisse zwischen diesen Kurven werden durch lineare Interpolation ermittelt. Bei der in 20 gezeigten zweiten Ausführungsart erstreckt sich in Richtung geringerer Last L unterhalb der zweiten Grenzlinie Y(N) und in einem gleichbleibenden Abstand von dieser eine Kurve mit dem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis. In einer Zone zwischen der Kurve mit dem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis und der ersten Grenzlinie X(N) liegt ein fettes Luftkraftstoffverhältnis vor. In diesem Bereich wird das Luftkraftstoffverhältnis L/K mit zunehmender Last L immer fetter.
In einem Bereich mit geringerer angeforderter Last L unterhalb der Kurve mit dem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis wird das Luftkraftstoffverhältnis mager. Ferner wird das Luftkraftstoffverhältnis in diesem Bereich mit abnehmender Last L immer magerer. Der Zielwert ST des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16, der zum Annähern des Luftkraftstoffverhältnisses an den in 20 gezeigten Zielwert des Luftkraftstoffverhältnisses benötigt wird, wird vorher im ROM 32 als Funktion der angeforderten Last L und der Motordrehzahl N in Form einer in 21A gezeigten Tabelle gespeichert, während der Zielwert SE des Öffnungsgrades des AGR-Steuerventils 23, der zum Annähern des Luftkraftstoffverhältnisses an den in 20 gezeigten Zielwert des Luftkraftstoffverhältnisses benötigt wird, wird vorher im ROM 32 als Funktion der angeforderten Last L und der Motordrehzahl N in Form einer in 21B gezeigten Tabelle gespeichert.
Man beachte, dass bei der zweiten Ausführungsart analog zu 14 das Luftkraftstoffverhältnis während der zweiten Verbrennung mager gemacht wird, weshalb der Zielwert des Öffnungsgrades ST der Drosselklappe 16 und der Zielwert SE des Öffnungsgrades des AGR-Steuerventils 23 während der zweiten Verbrennung aus den in 15A und 15B gezeigten Tabellen berechnet werden.
Wenn bei der zweiten Ausführungsart während der Niedertemperaturverbrennung mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis die angeforderte Last L ansteigt, wechselt das Luftkraftstoffverhältnis zum mageren Luftkraftstoffverhältnis der zweiten Verbrennung und durchläuft dabei einen Bereich mit fettem Luftkraftstoffverhältnis. Nimmt hingegen während der zweiten Verbrennung die angeforderte Last L ab und wird auf Niedertemperaturverbrennung umgestellt, ändert sich das Luftkraftstoffverhältnis von fett nach mager.
Im Folgeden wird unter Bezug auf 22 die Betriebssteuerung erläutert.
In Schritt 200 von 22 wird zuerst geprüft, ob die Markierung I gesetzt ist, welche anzeigt, dass sich der Motorbetriebszustand im ersten Arbeitsbereich I befindet. Wenn die Markierung I gesetzt ist, das heißt, wenn sich der Motorbetriebszustand im ersten Arbeitsbereich I befindet, geht die Routine weiter zu Schritt 201, wo geprüft wird, ob die angeforderte Last L die erste Grenzlinie X(N) überschritten hat. Wenn L ≤ X(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 203, wo die Niedertemperaturverbrennung stattfindet.
Das bedeutet, dass in Schritt 203 aus der in 21A gezeigten Tabelle der Zielwert ST des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16 berechnet und der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 auf diesen Zielwert ST gebracht wird. Dann wird in Schritt 204 aus der in 21B gezeigten Tabelle der Zielwert SE des Öffnungsgrades des AGR-Steuerventils 23 berechnet und der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 auf diesen Zielwert gebracht. Dann wird in Schritt 205 so viel Kraftstoff eingespritzt, dass das in 20 gezeigte Luftkraftstoffverhältnis eingestellt wird. Dabei wird die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt.
Wird in Schritt 201 hingegen festgestellt, dass L > X(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 202, wo geprüft wird, ob die Markierung I zurückgesetzt ist, und weiter zu Schritt 208, wo die zweite Verbrennung stattfindet.
Das bedeutet, dass in Schritt 208 aus der in 15A gezeigten Tabelle der Zielwert ST des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16 berechnet und der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 auf diesen Zielwert ST gebracht wird. Dann wird in Schritt 209 aus der in 15B gezeigten Tabelle der Zielwert SE des Öffnungsgrades des AGR-Steuerventils 23 berechnet und der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 auf diesen Zielwert SE gebracht. Dann wird in Schritt 210 so viel Kraftstoff eingespritzt, dass das in 14 gezeigte magere Luftkraftstoffverhältnis eingestellt wird.
Wenn die Markierung I zurückgesetzt ist, geht die Routine im nächsten Arbeitszyklus von Schritt 200 weiter zu Schritt 206, wo geprüft wird, ob die angeforderte Last L die zweite Grenzlinie Y(N) unterschreitet. Wenn L ≥ Y(N) ist, geht die Routi ne weiter zu Schritt 208, wo die zweite Verbrennung mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis stattfindet.
Wird in Schritt 206 hingegen festgestellt, dass L < Y(N) ist, geht die Routine weiter zu Schritt 207, wo die Markierung I gesetzt wird, und weiter zu Schritt 203, wo die Niedertemperaturverbrennung stattfindet.
23 zeigt eine weitere Ausführungsart. Bei dieser Ausführungsart ist in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator 19 mit Oxidationsfunktion ein weiterer Katalysator 50 mit Oxidationsfunktion angeordnet. Bei diesem Katalysator 50 kann es sich ebenfalls um einen Oxidationskatalysator, einen Dreiwegekatalysator oder einen NOx-Absorber handeln.
Im Folgenden wird der Fall erläutert, bei dem als Katalysator 19 oder als Katalysator 50 ein NOx-Absorber verwendet wird.
Gemäß der obigen Erläuterung können die NOx-Absorber 19 und 50 NOx in der Weise absorbieren und freisetzen, dass sie NOx absorbieren, wenn das Luftkraftstoffverhältnis mager ist, und das absorbierte NOx freisetzen, wenn das Luftkraftstoffverhältnis stöchiometrisch oder fett wird.
Wenn man in die Motorabgasleitung die NOx-Absorber 19 und 50 einbaut, bewirken diese zwar das Absorbieren und Freisetzen des NOx, aber der Mechanismus dieses Absorbierens und Freisetzens ist nicht bis in alle Einzelheiten geklärt. Man geht jedoch davon aus, dass das Absorbieren und Freisetzen des NOx entsprechend dem in 24A und 24B gezeigten Mechanismus erfolgt. Dieser Mechanismus wird im Folgenden für den beispielhaften Fall erläutert, dass ein Substrat mit Platin Pt und Barium Ba beschichtet ist, jedoch gilt derselbe Mechanis mus auch bei Verwendung anderer Edelmetalle, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und Seltenerdmetalle.
Bei dieser Ausführungsart der vorliegenden Erfindung erfolgt die Verbrennung normalerweise mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis. Bei dieser Verbrennung mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis liegt im Abgas eine hohe Sauerstoffkonzentration vor. Dann lagert sich der Sauerstoff O₂ gemäß 24A in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt an. Das im Abgas befindliche NO hingegen reagiert mit dem O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt zu NO₂ (2 NO + O₂ --> 2 NO₂). Dann wird ein Teil des gebildeten NO₂ an der Oberfläche des Platins Pt oxidiert, durch Verbindung mit dem Bariumoxid BaO im Absorber absorbiert und in diesem gemäß 24A in Form von Nitrationen NO₃ ^– verteilt. Auf diese Weise wird das NOx in den NOx-Absorbern 19 und 50 absorbiert. Solange die Sauerstoffkonzentration des einströmenden Abgases hoch ist, wird an der Oberfläche des Platins Pt NO₂ gebildet. Solange die NOx-Absorptionskapazität des Absorbers noch nicht erschöpft ist, werden im Absorber das NO₂ absorbiert und Nitrationen NO₃ ^– gebildet.
Im Gegensatz hierzu wird bei dieser Ausführungsart der vorliegenden Erfindung das Luftkraftstoffverhältnis unmittelbar vor dem Umschalten von der ersten zur zweiten Verbrennung und unmittelbar vor dem Umschalten von der zweiten zur ersten Verbrennung fett eingestellt. Wenn das Luftkraftstoffverhältnis fett wird, geht die Sauerstoffkonzentration des Abgases ebenso wie die Menge des gebildeten NO₂ zurück, sodass die Reaktion in umgekehrter Richtung verläuft (NO₃ ^– --> NO₂) und die Nitrationen NO₃ ^– in Form von NO₂ aus dem Absorber freigesetzt werden. Dabei wird das aus den NOx-Absorbern 19 und 50 freigesetzte NOx gemäß 24B durch die im Abgas enthaltenen großen Mengen an unverbranntem HC und CO reduziert. Wenn an der Oberfläche des Platins Pt kein NO₂ mehr vorliegt, wird auf diese Weise das NO₂ nach und nach aus den Absorbern freigesetzt. wenn dann das Luftkraftstoffverhältnis fett ist, wird deshalb das NOx innerhalb kurzer Zeit aus den NOx-Absorbern 19 und 50 freigesetzt und dieses freigesetzte NOx reduziert, sodass man verhindern kann, dass das NOx in die Atmosphäre abgegeben wird.
Wenn man einen NOx-Absorber wie zum Beispiel den Katalysator 19 oder den Katalysator 50 verwendet, kann man also verhindern, dass NOx in die Atmosphäre gelangt. Ferner wird auch fast kein Ruß erzeugt, obwohl das Luftkraftstoffverhältnis während der Niedertemperaturverbrennung fett ist und NOx aus dem NOx-Absorber freigesetzt wird.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, dass es mit der vorliegenden Erfindung möglich ist, die Verringerung der Aktivität des mit einem Edelmetall beschichteten Katalysators zu verhindern.
Es wird ein Selbstzündermotor beschrieben, wobei zwischen einer ersten Verbrennung, bei der die Menge des in die Verbrennungskammer zurückgeführten Abgases größer ist als diejenige Menge des zurückgeführten Abgases, bei welcher die erzeugte Rußmenge einen Maximalwert erreicht, und somit fast kein Ruß entsteht, und einer zweiten Verbrennung, bei der die Menge des in die Verbrennungskammer zurückgeführten Abgases kleiner ist als diejenige Menge des zurückgeführten Abgases, bei welcher die erzeugte Rußmenge einen Maximalwert erreicht, selektiv umgeschaltet wird, und wobei das Luftkraftstoffverhältnis unmittelbar vor dem Umschalten von der ersten zur zweiten Verbrennung oder unmittelbar vor dem Umschalten von der zweiten zur ersten Verbrennung fett eingestellt wird.

Claims

Selbstzündermotor, welcher Folgendes umfasst: einen in einer Motorabgasleitung (18) angeordneten Katalysator (19) mit einem Edelmetall; und ein Mittel (30, 21) zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (L/K), um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K) zumindest zeitweise fett zu machen, wobei eine erzeugte Rußmenge allmählich zunimmt und dann einen Maximalwert erreicht, wenn eine in eine Verbrennungskammer (5) eingeleitete Inertgasmenge zunimmt, und wobei eine weitere Zunahme der in die Verbrennungskammer eingeleiteten Inertgasmenge zur Absenkung der Temperatur (Tk) des Kraftstoffs und des umgebenden Gases in der Verbrennungskammer (5) unter eine Bildungstemperatur von Ruß führt, sodass kein Ruß mehr gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltmittel (16, 23) zum selektiven Umschalten zwischen einem ersten Verbrennungsmodus, bei welchem die in die Verbrennungskammer (5) eingeleitete Inertgasmenge größer als die zur maximalen Rußbildung führende Inertgasmenge ist und fast kein Ruß gebildet wird, und einem zweiten Verbrennungsmodus, bei welchem die in die Verbrennungskammer (5) eingeleitete Inertgasmenge kleiner als die zur maximalen Rußbildung führende Inertgasmenge ist, bereitgestellt wird, und dass das Mittel (30, 21) zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (L/K) ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K) im ersten Verbrennungsmodus zumindest zeitweise fett macht, wenn vom ersten zum zweiten Verbrennungsmodus oder vom zweiten zum ersten Verbrennungsmodus umgeschaltet wird.
Selbstzündermotor nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Verbrennungsmodus normalerweise mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K) ausgeführt werden und das Mittel (30, 21) zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (L/K) das Luftkraftstoffverhältnis (L/K) im ersten Verbrennungsmodus zeitweise fett macht, wenn vom ersten zum zweiten oder vom zweiten zum ersten Verbrennungsmodus umgeschaltet wird.
Selbstzündermotor nach Anspruch 2, wobei: ein Motorbetriebsbereich in einen ersten Betriebsbereich mit niedriger Last (I), in welchem der erste Verbrennungsmodus ausgeführt wird, und einen zweiten Betriebsbereich mit hoher Last (II) eingeteilt wird, in welchem der zweite Verbrennungsmodus ausgeführt wird, und das Mittel (30, 21) zur Steuerung des Luftkraftstoffverhältnisses (L/K) das Luftkraftstoffverhältnis (L/K) im ersten Verbrennungsmodus zeitweise fett macht, wenn der Motorbetriebszustand vom ersten zum zweiten Betriebsbereich oder vom zweiten zum ersten Betriebsbereich umgeschaltet wird.
Selbstzündermotor nach Anspruch 1, wobei: ein Motorbetriebsbereich in einen Niederlastbereich (I), in welchem der erste Verbrennungsmodus mit einem mageren Luftkraft stoffverhältnis (L/K) ausgeführt wird, in einen Hochlastbereich (II), in welchem der zweite Verbrennungsmodus mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis (L/K) ausgeführt wird, und einen Bereich zwischen dem Niederlastbereich und dem Hochlastbereich eingeteilt wird, in welchem der erste Verbrennungsmodus mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis (L/K) ausgeführt wird, und der erste Verbrennungsmodus mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis (L/K) ausgeführt wird, wenn der Motorbetriebszustand vom Niederlastbereich (I) zum Hochlastbereich (II) oder wenn der Motorbetriebszustand vom Hochlastbereich (II) zum Niederlastbereich (I) umgeschaltet wird.
Selbstzündermotor nach Anspruch 1, wobei eine Abgasrückführ(AGR)-Vorrichtung (22, 23) zum Zurückführen des aus der Verbrennungskammer (5) ausgestoßenen Abgases in eine Motoransaugleitung (11) bereitgestellt wird und das Inertgas aus zurückgeleitetem Abgas besteht.
Selbstzündermotor nach Anspruch 5, wobei während des ersten Verbrennungsmodus eine Abgasrückführ(AGR)-Rate mehr als 55 Prozent und während des zweiten Verbrennungsmodus die Abgasrückführ(AGR)-Rate weniger als 50 Prozent beträgt.
Selbstzündermotor nach Anspruch 1, wobei der Katalysator (19) mindestens aus einem Oxidationskatalysator und einem Dreiwegekatalysator besteht.
Selbstzündermotor nach Anspruch 1, wobei der Katalysator (19) aus einem NOx-Absorber besteht, welcher das in einem Abgas enthaltene NOx absorbiert, wenn ein in den NOx-Absorber strömendes Abgas ein mageres Luftkraft stoffverhältnis (L/K) aufweist, und das absorbierte NOx freisetzt, wenn das in den NOx-Absorber strömende Abgas ein stöchiometrisches oder ein fettes Luftkraftstoffverhältnis (L/K) aufweist.