DE69919621T2

DE69919621T2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69919621T2
Application number: DE69919621T
Authority: DE
Inventors: Kotaro Toyota-shi Hayashi; Shizuo Toyota-shi Sasaki; Takekazu Toyota-shi Ito; Hiroki Toyota-shi Murata; Masato Toyota-shi Gotoh; Kouji Toyota-shi YOSHIZAKI; Eiji Toyota-shi Iwasaki; Toshiaki Toyota-shi Tanaka; Shinya Toyota-shi Hirota; Nobumoto Toyota-shi Ohashi; Kazuhiro Toyota-shi Ito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-04-15
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: EP0952321A2; EP0952321B1; EP0952321A3; DE69919621D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor gemäß Präambel von Anspruch 1 mit einer Verbrennungskammer, in welche ein inaktives Gas eingeleitet wird, um eine Verbrennung zu bewirken.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Üblicherweise sind in einem Verbrennungsmotor wie beispielsweise einem Dieselmotor eine Motorabgasleitung und eine Motoransaugleitung durch eine Abgasrückleitung (im Folgenden als AGR bezeichnet) miteinander verbunden. Abgas bzw. AGR-Gas wird somit über die AGR-Leitung wieder in die Motoransaugleitung zurückgeführt. In diesem Fall weist das AGR-Gas eine relativ hohe spezifische Wärme auf und ist in der Lage, eine große Wärmemenge aufzunehmen. Wenn also die AGR-Gasmenge erhöht wird, indem die AGR-Rate (Menge AGR-Gas/(Menge AGR-Gas + Menge Ansaugluft)) erhöht wird, sinkt die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer. Wenn die Verbrennungstemperatur sinkt, nimmt die erzeugte NOx-Menge ab. Je höher die AGR-Rate ist, desto geringer ist somit die erzeugte NOx-Menge.
Bisher war üblicherweise bekannt, dass die erzeugte NOx-Menge durch die Erhöhung der AGR-Rate verringert wird. Allerdings nimmt die erzeugte Rußmenge bzw. Rauchmenge plötzlich stark zu, wenn die AGR-Rate über einen bestimmten Schwellenwert hinaus erhöht wird. Daher ist man bisher normalerweise davon ausgegangen, dass bei Erhöhung der AGR-Rate über einen bestimmten Schwellenwert hinaus die erzeugte Rußmenge unbegrenzt zunimmt. Mit anderen Worten, diejenige AGR-Rate, bei welcher die erzeugte Rußmenge plötzlich anzusteigen beginnt, wird als maximal zulässiger Wert der AGR-Rate angesehen.
Demzufolge wird die AGR-Rate kleiner als der maximal zulässige Wert gewählt. Dieser maximal zulässige Wert der AGR-Rate variiert zwar je nach Motortyp oder Kraftstoffart stark, beträgt jedoch zwischen 30 und 50 %. Deshalb wird die AGR-Rate beim Dieselmotor höchstens auf 30 bis 50 % eingestellt.
Wie oben bereits erwähnt, nimmt man allgemein an, dass es bei der AGR-Rate einen maximal zulässigen Wert gibt. Um die erzeugte NOx-Menge möglichst stark zu verringern, wählt man den Wert der AGR-Rate deshalb so, dass diese den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet. Allerdings lässt sich die erzeugte NOx-Menge nicht unbegrenzt verringern, obwohl man die AGR-Rate auf diese Weise festlegt hat. Tatsächlich lässt sich das Entstehen einer bestimmten NOx-Menge nicht verhindern.
Angesichts dessen ist ein neuer Typ eines Dieselmotors beschrieben worden (WO 93/07363). Bei diesem Dieselmotor wird zur Beseitigung des im Abgas enthaltenen NOx in die Motorabgasleitung ein NOx-Absorber eingebaut. Der NOx-Absorber absorbiert das NOx, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mager ist, und setzt das absorbierte NOx wieder frei, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases ein stöchiometrisches oder fettes Luft- Kraftstoff-Verhältnis aufweist. Wenn das NOx aus dem NOx-Absorber freigesetzt werden soll, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer fetter gemacht. Alternativ wird der Motorabgasleitung vor dem NOx-Absorber Kraftstoff zugeführt, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den NOx-Absorber strömenden Abgases fett ist.
Während der Untersuchungen der Verbrennung in Dieselmotoren wurde jedoch die folgende Tatsache gefunden. Wenn die AGR-Rate gemäß der obigen Beschreibung über den maximal zulässigen Wert hinaus erhöht wird, nimmt die erzeugte Rußmenge abrupt zu. Diese erzeugte Rußmenge hat jedoch einen Maximalwert. Wenn man nun die AGR-Rate nach dem Erreichen des Maximalwertes der Rußerzeugung weiter erhöht, beginnt die erzeugte Rußmenge plötzlich stark abzunehmen. Wenn die AGR-Rate im Leerlauf auf 70 % oder mehr oder bei starker Kühlung des AGR-Gases auf etwa 55 % eingestellt wird, wird kaum noch NOx erzeugt, und die erzeugte Rauchmenge geht fast auf null zurück. Mithin wird kaum noch Ruß erzeugt. Ausgehend von dieser Erkenntnis sind weitere Untersuchungen durchgeführt worden, um zu ermitteln, warum kaum noch Ruß entsteht.
Durch wiederholte Versuche und Untersuchungen wurde gefunden, dass das Wachstum der Kohlenwasserstoffe vor der Rußentstehung aufhört, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Verbrennungskammer während der Verbrennung gleich einer bestimmten Temperatur oder niedriger ist, und dass die Kohlenwasserstoffe schnell zu Ruß zusammenwachsen, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases die oben erwähnte bestimmte Temperatur überschreitet. In diesem Fall wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases durch die endotherme Wirkung des umgebenden Gases während der Kraftstoffverbrennung stark beeinflusst. Wenn man die endotherme Wärmemenge des den Kraft stoff umgebenden Gases entsprechend einer während der Verbrennung freiwerdenden Wärmemenge (exotherm) einstellen kann, lässt sich die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases steuern.
Demzufolge entsteht kein Ruß, wenn man die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Verbrennungskammer während der Verbrennung gleich einer Temperatur oder niedriger wählt, bei welcher das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zwischendrin unterbrochen wird. Die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Verbrennungskammer während der Verbrennung kann gleich einer Temperatur oder niedriger gewählt werden, bei welcher das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zwischendrin unterbrochen wird, indem man eine durch das den Kraftstoff umgebende Gas aufzunehmende Wärmemenge festlegt. Andererseits können die Kohlenwasserstoffe, deren Wachstum unterbrochen wurde, leicht durch eine Nachbehandlung mittels eines Oxidationskatalysators oder Ähnlichem beseitigt werden. Darin besteht das Grundkonzept des neuartigen Verbrennungssystems. Der Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung hat unter der Anmeldungsnummer EP-A-879 946 bereits ein Patent für einen Verbrennungsmotor beantragt, welcher das neuartige Verbrennungssystem verwendet.
Um die Rußmenge und die NOx-Menge mit dem neuen Verbrennungssystem gleichzeitig zu verringern, muss die AGR-Rate mindestens 55 % oder mehr betragen. Die AGR-Rate kann jedoch nur dann auf 55 % oder mehr erhöht werden, wenn die Ansaugluftmenge gering ist, wenn die Motorlast also relativ niedrig ist. Wenn die Ansaugluftmenge einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat, kann sie ohne Verringerung der AGR-Rate nicht weiter erhöht werden.
Wenn also die Ansaugluftmenge einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat, muss man die AGR-Rate auf einen niedrigeren Wert einstellen als der AGR-Rate entspricht, bei welcher die erzeugte Rußmenge einen Maximalwert erreicht.
Wenn man jedoch die AGR-Rate auf einen Wert einstellt, der kleiner ist als diejenige AGR-Rate, bei welcher die erzeugte Rußmenge einen Maximalwert erreicht, nimmt die erzeugte NOx-Menge zu. Folglich muss man auch bei Anwendung des oben erwähnten Verbrennungssystems zur fast vollständigen Verhinderung der Ruß- und NOx-Entstehung überlegen, wie man das NOx beseitigt, wenn die Ansaugluftmenge groß ist.
In dem Dokument EP 0 803 645 A1 wird ein Selbstzündermotor mit einer Motorsteuerung beschrieben, die während des Verdichtungstakes oder des Ansaugtakes über 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes Kraftstoff in eine Verbrennungskammer des Motors einspritzt. Die mittlere Teilchengröße des zu diesem Zeitpunkt eingespritzten Kraftstoffs erreicht einen Wert, bei dem praktisch am oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes die Temperatur der Teilchen den durch den Druck in der Verbrennungskammer bestimmten Siedepunkt des Hauptbestandteils des Kraftstoffs erreicht. Zumindest wenn der Motor bei hoher Last läuft, wird das AGR-Rate auf über 40 erhöht und das Luftüberschussverhältnis auf etwa 1,0 eingestellt. Gemäß diesem Dokument erfordern verschiedene Verbrennungsmodi unterschiedliche AGR-Raten. Durch eine solche Motorsteuerung soll eine Verbrennung mit einer erzeugten Rußmenge unterhalb des Maximalwertes erreicht werden, indem man eine herkömmliche Verbrennung mit einer geringen AGR-Menge zu vermeiden versucht.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei welchem die Kraftstoffeinspritzsteuerung so erfolgt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in einen Abgasabsorber strömenden Abgases optimiert wird.
Die oben beschriebene Aufgabe wird durch eine Kombination der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen werden weitere vorteilhafte Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein wie folgt aufgebauter Verbrennungsmotor bereitgestellt. Bei dem Verbrennungsmotor der vorliegenden Erfindung nimmt als Reaktion auf eine Zunahme inaktiven Gases in einer Verbrennungskammer eine erzeugte Rußmenge allmählich zu und erreicht einen Maximalwert und sinkt als Reaktion auf eine weitere Zunahme inaktiven Gases in der Verbrennungskammer auf eine Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Verbrennungskammer während der Verbrennung unter eine Temperatur, bei welcher Ruß erzeugt wird, sodass kaum noch Ruß entsteht. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Schaltmittel zum selektiven Umschalten zwischen einem ersten Verbrennungsmodus und einem zweiten Verbrennungsmodus ausgestattet. Während des ersten Verbrennungsmodus enthält die Verbrennungskammer eine Menge inaktiven Gases, welche größer ist als eine Menge, bei der eine erzeugte Rußmenge ihren Maximalwert erreicht, sodass kaum noch Ruß erzeugt wird. Während des zweiten Verbrennungsmodus enthält die Verbrennungskammer eine Menge inaktiven Gases, welche kleiner ist als diejenige Menge, bei der eine erzeugte Rußmenge ihren Maximalwert erreicht. Während der zweiten Hälfte eines Arbeitstaktes oder während eines Ausstoßtaktes wird zusätzlicher Kraftstoff aus einem Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt, sodass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in einen Abgasabsorber, vorzugsweise einen NOx-Absorber, strömenden Abgases stöchiometrisch oder fett eingestellt wird, sodass während des zweiten Verbrennungsmodus Abgasschadstoffe wie vorzugsweise NOx aus einem NOx-Absorber freigesetzt werden. Somit kann die Kraftstoffeinspritzsteuerung so durchgeführt werden, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den NOx-Absorber strömenden Abgases optimal wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsarten unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht, in denen:
1 eine allgemeine Darstellung eines Selbstzünder-Verbrennungsmotors gemäß einer ersten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine seitliche Querschnittsansicht einer Verbrennungskammer ist;
3 eine Ansicht eines Zylinderkopfes von unten ist;
4 eine seitliche Querschnittsansicht der Verbrennungskammer ist;
5 Anhebungsbeträge eines Einlass- und eines Auslassventils sowie der Kraftstoffeinspritzung zeigt;
6 Diagramme zeigt, welche die Änderung des Öffnungsgrades der Drosselklappe, der AGR-Rate bzw. Menge an erzeugtem Rauch, HC, CO und NOx in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis darstellen;
7A und 7B den Kompressionsdruck in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis zeigen;
8 Kraftstoffmoleküle zeigt;
9 eine Beziehung zwischen der erzeugten Rauchmenge und einer AGR-Rate zeigt;
10 eine Beziehung zwischen einer gesamten Ansauggasmenge und einer geforderten Last zeigt;
11 einen ersten Betriebsbereich I und einen zweiten Betriebsbereich II zeigt;
12 einen Ausgabewert eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt;
13 einen Öffnungsgrad einer Drosselklappe oder Ähnlichem zeigt;
14 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Betriebsbereich I zeigt;
15A und 15B eine Tabelle eines Zielöffnungsgrades der Drosselklappe oder Ähnlichem zeigt;
16 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis während eines zweiten Verbrennungsmodus zeigt;
17A und 17B zur Verdeutlichung Ansichten des Wirkungsmechanismus beim Absorbieren und Freigeben des NOx zeigen;
18A und 18B Tabellen der je Zeiteinheit absorbierten NOx-Menge zeigen;
19 ein Ablaufdiagramm zur Verarbeitung eines NOx-Freisetzungsmarkierung ist;
20 ein Ablaufdiagramm zur Steuerung des Motorbetriebs ist;
21 eine allgemeine Ansicht eines Selbstzünder-Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
22 eine seitliche Querschnittsansicht einer Verbrennungskammer des Selbstzünder-Verbrennungsmotors ist;
23 eine Draufsicht auf eine obere Kolbenfläche ist;
24 eine seitliche Querschnittsansicht der in 22 gezeigten Verbrennungskammer ist;
25 Anhebungsbeträge des Einlass- und des Auslassventils und der Kraftstoffeinspritzung zeigt;
26 eine Gesamtansicht eines Selbstzünder-Verbrennungsmotors gemäß einer zweiten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist;
27 eine Querschnittsansicht eines Bremskraftverstärkers ist;
28A und 28B eine Beziehung zwischen dem angeforderten Drehmoment, der angeforderten Last und der Motordrehzahl zeigt;
29A und 29B Tabellen der Kraftstoffeinspritzmenge oder Ähnlichem zeigen;
30A und 30B Tabellen des Zielöffnungsgrades der Drosselklappe und Ähnlichem zeigen;
31 einen Zielschwellenwert in einer ersten Kammer des Bremskraftverstärkers zeigt;
32 ein Ablaufdiagramm zur Verarbeitung eines Einspritzstoppmarkierung ist; und
33 und 34 Ablaufdiagramme zur Steuerung des Motorbetriebs sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSARTEN
1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsart der vorliegenden Erfindung, bei welcher die vorliegende Erfindung auf einen Viertakt-Selbstzünder-Verbrennungsmotor angewendet wird.
Ein Motorkörper 1 besteht aus einem Zylinderblock 2, einem Zylinderkopf 3, einem Kolben 4, einer in einer oberen Fläche des Kolbens 4 gebildeten Aussparung 5a, einer in der Aussparung 5a gebildeten Verbrennungskammer 5, einem elektrisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzventil 6, einem Paar Einlassventilen 7, einer Einlassöffnung 8, einem Paar Auslassventilen 9 und einer Auslassöffnung 10. Die Einlassöffnung 8 steht über eine entsprechende Ansaugzweigleitung 11 mit einem Druckausgleichsbehälter 12 und dieser Druckausgleichsbehälter 12 wiederum über eine Ansaugleitung 13 mit einem Luftfilter 14 in Verbindung. In der Ansaugleitung befindet sich eine Drosselklappe 16, die durch einen Elektromotor 15 betätigt wird. An dererseits ist die Auslassöffnung 10 über einen Auslasskrümmer 17 und eine Abgasleitung 18 mit einem Gehäuse 20 verbunden, in welchem sich ein Absorber 19, vorzugsweise ein NOx-Absorber, befindet.
1 zeigt einen im Auslasskrümmer 17 angebrachten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 21. Der Auslasskrümmer 17 und der Druckausgleichsbehälter 12 sind über eine AGR-Leitung 22 untereinander verbunden, in welcher sich ein elektrisch gesteuertes AGR-Steuerventil 23 befindet. Ferner ist um die AGR-Leitung 22 herum eine Kühlvorrichtung 24 zur Kühlung des durch die AGR-Leitung 22 strömenden AGR-Gases angeordnet. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsart wird in die Kühlvorrichtung 24 Motorkühlmittel eingeleitet und das AGR-Gas durch dieses Motorkühlmittel gekühlt.
Andererseits ist jedes Kraftstoffeinspritzventil 6 über eine Kraftstoffzufuhrleitung 25 mit einem Kraftstoffvorrat, d.h. einem sogenannten Verteiler 26 verbunden. Durch eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffpumpe 27 mit variabler Fördermenge wird Kraftstoff in den Verteiler 26 gepumpt. Der in den Verteiler 26 gepumpte Kraftstoff wird dann durch jede Kraftstoffzufuhrleitung 25 zum Kraftstoffeinspritzventil 6 befördert. Im Verteiler 26 ist ein Kraftstoffdrucksensor 28 zum Messen eines Kraftstoffdrucks im Verteiler 26 angebracht. Auf der Grundlage eines Ausgangssignals vom Kraftstoffdrucksensor 28 wird die Fördermenge der Kraftstoffpumpe 27 so gesteuert, dass der Kraftstoffdruck im Verteiler 26 einen Zielkraftstoffdruck erreicht.
Eine elektronische Steuereinheit (electronic control unit, ECU) besteht aus einem Digitalrechner und ist mit einem Nur-Lese-Speicher (read only memory, ROM) 32, einem Arbeitsspeicher (random access memory, RAM) 33, einer Zentraleinheit (Mikroprozessor, CPU) 34, einem Eingang 35 und einem Ausgang 36 ausgestattet, welche über einen bidirektionalen Bus 31 untereinander verbunden sind. Das Ausgangssignal des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 wird über einen entsprechenden Analog-Digital-Umsetzer 37 (A/D) am Eingang 35 eingegeben. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 28 wird ebenfalls über einen entsprechenden A/D-Umsetzer 37 am Eingang 35 eingegeben. Mit einem Gaspedal 40 ist ein Lastsensor 41 verbunden, der eine Ausgangsspannung erzeugt, welche einem Auslenkungsbetrag L des Gaspedals 40 proportional ist. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über den entsprechenden A/D-Umsetzer 37 am Eingang 35 eingegeben. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über den entsprechenden A/D-Umsetzer 37 am Eingang 35 eingegeben. Ferner ist mit dem Eingang 35 ein Kurbelwellenwinkelsensor 42 verbunden, welcher jedes Mal, wenn sich eine Kurbelwelle um beispielsweise 30° dreht, einen Ausgangsimpuls erzeugt. Andererseits ist der Ausgang 36 über eine entsprechende Steuerschaltung 38 mit dem Kraftstoffeinspritzventil 6, dem Elektromotor 15, dem AGR-Steuerventil 23 und der Kraftstoffpumpe 27 verbunden.
2 und 3 zeigen, dass das Kraftstoffeinspritzventil 6 der vorliegenden Ausführungsart aus einer Lochdüse mit sechs Düsenlöchern besteht. Der Kraftstoff F wird aus den Düsenlöchern des Kraftstoffeinspritzventils 6 in gleichen Winkelabständen bezüglich der Horizontalen leicht nach unten eingespritzt. 3 zeigt, dass zwei von sechs Kraftstoffstrahlen F entlang einer unteren Fläche eines Ventilkörpers jedes Auslassventils 9 verspritzt werden. 2 und 3 zeigen eine während des letzten Stadiums eines Verdichtungstaktes durchgeführte Kraftstoffeinspritzung. Zu diesem Zeitpunkt gelangen die Kraftstoffstrahlen F in Richtung der inneren Umfangsfläche der Aussparung 5a, werden dann gezündet und verbrennen.
4 zeigt den Fall, dass zusätzlicher Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzventil 6 eingespritzt wird, wenn das Auslassventil 9 seinen maximalen Anhebungsbetrag während eines Auslasstaktes erreicht. In 5 bedeutet das, dass die Haupteinspritzmenge Qm in der Nähe eines oberen Totpunktes des Verdichtungstaktes und eine zusätzliche Kraftstoffmenge Qa in der Mitte des Auslasstaktes eingespritzt wird. In diesem Fall spritzt der sich in Richtung des Ventilkörpers des Auslassventils 9 bewegende Kraftstoffstrahl K in ein Volumen zwischen einer Rückfläche eines abgesetzten Teils des Auslassventils 9 und der Auslassöffnung 10. Mit anderen Worten, zwei von sechs Düsenlöchern des Kraftstoffeinspritzventils 6 sind so gebildet, dass der versprühte Kraftstoff K beim Einspritzen einer zusätzlichen Kraftstoffmenge Qa bei offenem Auslassventil 9 in Richtung eines Volumens zwischen der Rückfläche eines abgesetzten Teils des Auslassventils 9 und der Auslassöffnung 10 gespritzt wird. In diesem Augenblick trifft der versprühte Kraftstoff K bei der in 4 gezeigten Ausführungsart auf die Rückfläche des abgesetzten Teils des Auslassventils 9. Der auf die Rückfläche des abgesetzten Teils des Auslassventils 9 auftreffende Kraftstoffnebel K prallt von dort zurück und gelangt in die Auslassöffnung 10.
Normalerweise wird nur die Haupteinspritzmenge Qm, aber kein zusätzlicher Kraftstoff Qa eingespritzt. 6 zeigt ein experimentelles Beispiel, welches die Änderungen des Ausgangsdrehmoments und der Austrittsmenge an Rauch, HC (Kohlenwasserstoffe), CO sowie NOx zeigt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K (auf der Abszisse von 6 dargestellt) durch Änderung eines Öffnungsgrades der Drosselklappe 16 und einer AGR-Rate während eines Niederlastbetriebes des Motors geändert wird. Beim vorliegenden experimentellen Beispiel von 6 erkennt man, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K umso kleiner wird, je größer die AGR-Rate wird. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K gleich einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (etwa 14,6) oder kleiner ist, ist die AGR-Rate gleich 65 % oder größer.
6 zeigt, dass die erzeugte Rauchmenge bei Verringerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses L/K durch Erhöhung der AGR-Rate zuzunehmen beginnt, wenn die AGR-Rate einen Wert von etwa 40 % und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K einen Wert von etwa 30 erreicht. Wenn man dann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K durch weitere Erhöhung der AGR-Rate noch weiter verringert, nimmt die erzeugte Rauchmenge steil zu und erreicht ihren Maximalwert. Wenn die AGR-Rate noch weiter erhöht und somit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K noch weiter verringert wird, nimmt die erzeugte Rauchmenge ganz plötzlich ab. Wenn die AGR-Rate einen Wert von 65 % oder mehr und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K einen Wert von 15 erreicht, geht die erzeugte Rauchmenge fast auf null zurück. Das heißt, es wird kaum noch Ruß erzeugt. In diesem Zustand nimmt das Ausgangsdrehmoment des Motors ein wenig ab, und die erzeugte NOx-Menge wird vergleichsweise gering. Andererseits beginnt jedoch die erzeugte HC- und CO-Menge zuzunehmen.
7A zeigt die Änderungen des Kraftstoffdrucks in der Verbrennungskammer 5, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K etwa um 21 liegt und die erzeugte Rauchmenge einen Maximalwert erreicht. 7B zeigt die Änderungen des Kraftstoffdrucks in der Verbrennungskammer 5, wenn der Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K etwa um 18 liegt und die erzeugte Rauchmenge fast auf null zurückgegangen ist. Aus dem Vergleich zwischen 7A und 7B ist zu ersehen, dass der Kraftstoffdruck in dem in 7B gezeigten Fall, bei dem die erzeugte Rauchmenge fast null ist, niedriger ist als in dem in 7A gezeigten Fall, bei dem die erzeugte Rauchmenge groß ist.
Aus den in 6, 7A und 7B gezeigten experimentellen Ergebnissen lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen. Erstens zeigt 6, dass die erzeugte Rauchmenge fast null beträgt und die erzeugte NOx-Menge drastisch abnimmt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K gleich 15 oder kleiner ist. Dass die erzeugte NOx-Menge abgenommen hat, liegt daran, dass die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 gesunken ist. Daraus, dass kaum noch Ruß gebildet wird, kann man also schließen, dass die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 niedrig ist. Dieselbe Schlussfolgerung lässt sich auch aus 7A und 7B ziehen. Das heißt, dass der Verbrennungsdruck niedrig ist, wenn gemäß 7B kaum noch Ruß erzeugt wird. Daraus lässt sich die Schlussfolgerung ziehen, dass die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 niedrig ist.
Zweitens zeigt 6, dass die ausgestoßenen Mengen an HC und CO zunehmen, wenn die erzeugte Rauchmenge, also die erzeugte Rußmenge fast auf null zurückgeht. Das bedeutet, dass die Kohlenwasserstoffe ausgestoßen werden, bevor sie zu Ruß zusammenwachsen können. Mit anderen Worten, die in 8 gezeigten im Kraftstoff enthaltenen linearen oder aromatischen Kohlenwasserstoffe werden bei Erhitzung unter Sauerstoffmangel zersetzt und bilden eine Vorstufe von Ruß. Dann wird Ruß gebildet, der sich aus zu einem festen Körper verbundenen Kohlenstoffatomen zusammensetzt. Der eigentliche Prozess der Rußbildung ist jedoch kompliziert, und es ist unklar, in welchem Zustand sich die Vorstufe des Rußes befindet. Auf jeden Fall wachsen die in 8 gezeigte Kohlenwasserstoffe zusammen und bilden über die Vorstufe den Ruß. Wenn die erzeugte Rußmenge entsprechend der obigen Beschreibung fast auf null zurückgeht, nimmt die in 6 gezeigte ausgestoßene Menge an HC und CO zu. Dabei stellen die Kohlenwasserstoffe entwe der die Vorstufe von Ruß oder die der Vorstufe vorausgehende Phase dar.
Die oben beschriebenen und auf den experimentellen Ergebnissen von 6, 7A und 7B basierenden Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen. Das heißt, wenn die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 niedrig ist, geht die erzeugte Rußmenge fast auf null zurück. Dabei wird die Vorstufe von Ruß oder ein Kohlenwasserstoff in einer früheren Phase aus der Verbrennungskammer 5 ausgestoßen. Eingehendere Experimente und Untersuchungen dieses Sachverhalts haben gezeigt, dass der Prozess des Rußwachstums zwischendrin unterbrochen wird und somit kein Ruß erzeugt wird, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Verbrennungskammer 5 gleich einer bestimmten Temperatur oder niedriger ist. Wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Verbrennungskammer 5 gleich einer bestimmten Temperatur oder höher wird, wird Ruß erzeugt.
Die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases, bei welcher der Prozess der Rußbildung bei der Vorstufe des Rußes unterbrochen wird, also die oben erwähnte bestimmte Temperatur, hängt von einer Vielzahl von Faktoren wie beispielsweise der Kraftstoffart, dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, dem Kompressionsverhältnis und Ähnlichem ab. Daher kann man für die oben erwähnte bestimmte Temperatur keinen konkreten Wert angeben. Diese oben erwähnte bestimmte Temperatur hängt aber entsprechend mit der erzeugten NOx-Menge zusammen und kann somit auf einen Bereich eingegrenzt werden, der sich von der erzeugten NOx-Menge ableiten lässt. Mit anderen Worten, je größer die AGR-Rate wird, desto niedriger wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn während der Verbrennung umgebenden Gases. Je größer die AGR-Rate wird, desto geringer wird die erzeugte NOx-Menge. Dabei wird kaum noch Ruß erzeugt, wenn die erzeugte NOx-Menge bei etwa 10 ppm (g/t) oder weniger liegt. Die oben erwähnte bestimmte Temperatur fällt somit praktisch mit einer Temperatur zusammen, bei welcher die erzeugte NOx-Menge etwa 10 ppm (g/t) oder weniger beträgt.
Sobald es zur Entstehung von Ruß kommt, kann dieser nicht durch eine Nachbehandlung mittels eines Katalysators mit Oxidationsfunktion beseitigt werden. Die Vorstufe von Ruß oder ein Kohlenwasserstoff in einer Phase vor dieser Vorstufe hingegen kann leicht durch eine Nachbehandlung mittels eines Katalysators mit Oxidationsfunktion beseitigt werden. Wenn man die Nachbehandlung mittels eines Katalysators mit Oxidationsfunktion durchführen will, bestehen große Unterschiede bezüglich des Kohlenwasserstoffs, der aus der Verbrennungskammer 5 entweder in Form der Rußvorstufe oder einer Phase davor oder direkt als Ruß ausgestoßen wird. Die wichtigen Merkmale des neuartigen Verbrennungssystems der vorliegenden Erfindung bestehen darin, dass die Kohlenwasserstoffe in Form der Rußvorstufe oder einer Phase davor aus der Verbrennungskammer 5 ausgestoßen werden, ohne dass in der Verbrennungskammer 5 Ruß entsteht, und dass die Kohlenwasserstoffe mittels des Katalysators mit Oxidationsfunktion oxidiert werden.
Um das Wachstum der Kohlenwasserstoffe bereits vor der Rußbildung zu unterbrechen, müssen der Kraftstoff und das ihn umgebende Gas in der Verbrennungskammer 5 während der Verbrennung auf einer Temperatur gehalten werden, die niedriger ist als diejenige Temperatur, bei welcher Ruß entsteht. Dabei hat sich gezeigt, dass die endotherme Wirkung des den Kraftstoff umgebenden Gases während der Kraftstoffverbrennung eine enorme Auswirkung auf die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases hat.
Mit anderen Worten, wenn der Kraftstoff nur von Luft umgeben ist, reagiert der verdampfte Kraftstoff sofort mit dem Sauerstoff der Luft und verbrennt. Dabei steigt die Temperatur der weiter vom Kraftstoff entfernten Luft nicht stark an, während nur die direkt den Kraftstoff umgebende Luft lokal eine sehr hohe Temperatur erreicht. Zu diesem Zeitpunkt nimmt nämlich die weiter vom Kraftstoff entfernte Luft kaum Verbrennungswärme des Kraftstoffs auf. Da nun die Verbrennungstemperatur lokal stark ansteigt, erzeugen die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, welche die Verbrennungswärme aufgenommen haben, Ruß.
Wenn sich jedoch der Kraftstoff in einem Gemisch mit einem hohen Anteil inaktiven Gases und nur einer geringen Luftmenge befindet, sieht es etwas anders aus. Dann verteilt sich der verdampfte Kraftstoff überall, reagiert mit dem in das inaktive Gas eingemischten Sauerstoff und verbrennt. Dabei steigt die Verbrennungstemperatur nicht sehr stark an, da das inaktive Gas in den Außenbereichen die Verbrennungswärme absorbiert. Man kann also die Verbrennungstemperatur auf eine niedrigere Temperatur begrenzen. Das inaktive Gas spielt nämlich eine wichtige Rolle bei der Begrenzung der Verbrennungstemperatur, und die Aufnahme der Verbrennungswärme durch das inaktive Gas ermöglicht die Begrenzung der Temperatur auf einen niedrigen Wert.
Um dabei die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases niedriger zu halten als eine Temperatur, bei der Ruß entsteht, wird eine ausreichende Menge an inaktivem Gas benötigt, die so viel Wärme absorbieren kann, dass der angestrebte Zweck erreicht wird. Wenn die Kraftstoffmenge erhöht wird, nimmt dann auch die erforderliche Menge an inaktivem Gas entsprechend zu. Dabei wird umso mehr Verbrennungswärme aufgenommen, je größer die spezifische Wärme des inaktiven Gases wird. Daher weist das inaktive Gas vorzugsweise eine große spezifische Wärme auf. Aus diesem Grund verwendet man als inaktives Gas vorzugsweise AGR-Gas, da CO₂ bzw. AGR-Gas eine relativ große spezifische Wärme haben.
9 zeigt eine Beziehung zwischen der AGR-Rate und dem Rauch, wenn als inaktives Gas AGR-Gas verwendet wird und sich die Temperatur des AGR-Gases ändert, auf welche dieses abgekühlt wurde. Kurve A in 9 zeigt den Fall, bei welchem, die Temperatur des AGR-Gases durch starkes Kühlen auf etwa 90 °C gehalten wird, während Kurve B den Fall zeigt, bei welchem das AGR-Gas durch ein geschlossenes Kühlsystem gekühlt wird, und Kurve C den Fall, bei welchem das AGR-Gas nicht zwangsgekühlt wird.
Bei der intensiven Kühlung des AGR-Gases entsprechend Kurve A in 9 erreicht die erzeugte Rußmenge ihren Maximalwert, wenn die AGR-Rate knapp unter 50 % liegt. Wenn dann die AGR-Rate auf etwa 55 % oder mehr erhöht wird, entsteht kaum noch Ruß. Bei Verzicht auf die Zwangskühlung des AGR-Gases entsprechend Kurve C in 9 erreicht die erzeugte Rußmenge ihren Maximalwert, wenn die AGR-Rate bei etwa 55 % liegt. Wenn dann die AGR-Rate auf etwa 70 % oder mehr erhöht wird, wird kaum noch Ruß erzeugt.
9 zeigt eine erzeugte Rauchmenge, wenn die Motorlast ziemlich hoch ist. Bei abnehmender Motorlast geht die AGR-Rate, bei welcher die erzeugte Rußmenge ihren Maximalwert erreicht, etwas zurück, ebenso wie auch der untere Grenzwert der AGR-Rate etwas zurückgeht, bei welcher kaum noch Ruß erzeugt wird. Somit hängt der untere Grenzwert der AGR-Rate, bei welcher kaum noch Ruß entsteht, von der Abkühlung des AGR-Gases oder der Motorlast ab.
10 zeigt eine Menge eines Gemischs aus AGR-Gas und Luft und ein Verhältnis von Luft zu AGR-Gas in diesem Gemisch, das erforderlich ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases während der Verbrennung niedriger zu halten als eine Temperatur, bei welcher Ruß entsteht, wobei als inaktives Gas AGR-Gas verwendet wird. In 10 zeigt die y-Achse eine Gesamtmenge in die Verbrennungskammer 5 eingeleiteten Gases und eine Strich-Punkt-Linie Y die Gesamtmenge dieses eingeleiteten Gases, das in die Verbrennungskammer 5 eingelassen werden kann, wenn keine Aufladung erfolgt. Ferner zeigt die x-Achse eine Lastanforderung und Z1 einen Niederlastbereich.
In 10 stellt der Anteil an Luft, also die im Gemisch enthaltene Luftmenge, die zur vollständigen Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs benötigte Luftmenge dar. Für den in 10 gezeigten Fall bedeutet dies, dass das Verhältnis aus der Luftmenge und der eingespritzten Kraftstoffmenge gleich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Andererseits stellt in 10 der Anteil an AGR-Gas, also die im Gemisch enthaltene AGR-Gasmenge die Mindestmenge an AGR-Gas dar, um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases unterhalb einer Temperatur zu halten, bei der Ruß entsteht. Die oben erwähnte Menge an AGR-Gas entspricht einer AGR-Rate von etwa 55 % oder mehr. Bei der in 10 gezeigten Ausführungsart beträgt die AGR-Rate 70 oder mehr. In dem Fall, bei welchem die Gesamtmenge des in die Verbrennungskammer 5 eingeleiteten Gases in 10 durch eine durchgehende Linie X dargestellt ist und das Verhältnis von Luftmenge zu AGR-Gasmenge dem in 10 gezeigten entspricht, sinkt die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases unter eine Temperatur, bei welcher Ruß erzeugt wird, sodass kein Ruß mehr entsteht. Dann beträgt die erzeug te NOx-Menge etwa 10 ppm (g/t) oder weniger. Dementsprechend ist die erzeugte NOx-Menge sehr klein.
Wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge zunimmt, wird während der Kraftstoffverbrennung auch mehr Wärme frei. Um nun die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases unterhalb einer Temperatur zu halten, bei welcher Ruß erzeugt wird, muss das AGR-Gas mehr Wärme absorbieren. Deshalb muss die AGR-Gasmenge gemäß 10 bei zunehmender eingespritzter Kraftstoffmenge erhöht werden. Mit anderen Worten, bei höherer Lastanforderung muss die AGR-Gasmenge erhöht werden.
Bei einem Lastbereich Z2 in 10 hingegen übersteigt die Gesamtmenge X an Einlassgas, welche zur Verhinderung des Entstehens von Ruß benötigt wird, die zulässige Gesamtmenge an Einlassgas. Um nun die Verbrennungskammer 5 mit einer Gesamtmenge an Einlassgas zu versorgen, die zur Rußverhinderung erforderlich ist, müssen entweder das AGR-Gas und die Ansaugluft oder nur das AGR-Gas aufgeladen oder verdichtet werden. Wenn man das AGR-Gas oder Ähnliches im Lastbereich Z2 nicht auflädt oder verdichtet, stimmt die Gesamtmenge X an Einlassgas mit der zulässigen Gesamtmenge Y an Einlassgas überein. In diesem Fall wird zur Verhinderung der Rußentstehung deshalb die Luftmenge ein wenig verringert, um die AGR-Gasmenge zu erhöhen, sodass die Kraftstoffverbrennung bei einem etwas fetteren Luft-Kraftstoff-Verhältnis stattfindet.
10 zeigt gemäß der obigen Beschreibung einen Fall, bei welchem der Kraftstoff bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis verbrennt. Allerdings kann man im Niederlastbereich Z1 in 10 auch dann die erzeugte NOx-Menge auf etwa 10 ppm (g/t) oder weniger begrenzen und gleichzeitig die Rußentstehung verhindern, wenn die Luftmenge gegenüber der in gezeigten 10 verringert und somit das Luft- Kraftstoff-Verhältnis angefettet wird. Ferner kann man im Niederlastbereich Z1 die erzeugte NOx-Menge auf etwa 10 ppm (g/t) oder weniger begrenzen und gleichzeitig die Rußentstehung verhindern, wenn die Luftmenge gegenüber der in 10 gezeigten erhöht und somit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf magere Werte von 17 bis 18 eingestellt wird.
Mit anderen Worten, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett wird, liegt ein Kraftstoffüberschuss vor. Da jedoch die Verbrennungstemperatur erniedrigt wurde, führt ein Kraftstoffüberschuss nicht zur Rußbildung. Somit entsteht kein Ruß. Ferner wird gleichzeitig nur sehr wenig NOx erzeugt. Andererseits wird auch nur wenig Ruß erzeugt, wenn die Verbrennungstemperatur ansteigt, während das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager oder stöchiometrisch ist. Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Verbrennungstemperatur herabgesetzt wurde, entsteht jedoch gar kein Ruß. Außerdem wird nur sehr wenig NOx erzeugt.
Somit werden im Niederlastbereich Z1 des Motors unabhängig vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis kein Ruß und nur wenig NOx erzeugt, also unabhängig davon, ob das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett, stöchiometrisch oder mager ist. Bezüglich Kraftstoffeinsparung wird deshalb das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis vorzugsweise mager eingestellt.
Die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Verbrennungskammer während der Verbrennung lässt sich nur dann auf einer Temperatur oder niedriger halten, bei welcher das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zwischendrin unterbrochen wird, wenn die Motorlast relativ niedrig ist, wenn also wenig Verbrennungswärme freigesetzt wird. Wenn die Motorlast relativ niedrig ist, wird also die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases gemäß der Ausfüh rungsart der vorliegenden Erfindung niedriger als diejenige Temperatur gehalten, bei welcher das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zwischendrin unterbrochen wird, sodass ein erster Verbrennungsmodus, nämlich eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird. Wenn die Motorlast relativ hoch ist, wird ein zweiter Verbrennungsmodus, nämlich eine herkömmliche Verbrennung durchgeführt. Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, dass im ersten Verbrennungsmodus, also bei der Niedertemperaturverbrennung, die Menge an inaktivem Gas in der Verbrennungskammer größer ist als die Menge des inaktiven Gases, bei welcher die erzeugte Rußmenge ihren Maximalwert erreicht, sodass kaum noch Ruß erzeugt wird. Im zweiten Verbrennungsmodus, also bei der herkömmlichen Verbrennung, ist die Menge an inaktivem Gas in der Verbrennungskammer kleiner als diejenige Menge des inaktiven Gases, bei welcher die erzeugte Rußmenge ihren Maximalwert erreicht.
11 zeigt einen ersten Betriebsbereich I, in welchem der erste Verbrennungsmodus, und zwar die Niedertemperaturverbrennung, und einen zweiten Betriebsbereich II, in welchem der zweite Verbrennungsmodus, und zwar die herkömmliche Verbrennung, erfolgt. In 11 zeigt die y-Achse den Auslenkungsbetrag des Gaspedals 40 bzw. die Lastanforderung L und die x-Achse die Motordrehzahl N. Ferner stellen X(N) eine erste Grenzlinie zwischen dem Betriebsbereich I und dem Betriebsbereich II und Y(N) eine zweite Grenzlinie zwischen dem Betriebsbereich I und dem Betriebsbereich II dar. Anhand der ersten Grenzlinie X(N) wird ermittelt, ob ein Übergang vom Betriebsbereich I zum Betriebsbereich II vollzogen wurde. Anhand der zweiten Grenzlinie Y(N) wird ermittelt, ob ein Übergang vom Betriebsbereich II zum Betriebsbereich I vollzogen wurde.
Wenn also die Lastanforderung L die erste Grenzlinie X(N) als Funktion der Motordrehzahl N überschreitet, während der Motor im Betriebsbereich I betrieben und die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, stellt man fest, dass ein Übergang zum Betriebsbereich II erfolgt ist. Daher wird jetzt die herkömmliche Verbrennung durchgeführt. Wenn dann die Lastanforderung L die zweite Grenzlinie Y(N) unterschreitet, stellt man fest, dass ein Übergang zum Betriebsbereich I erfolgt ist. In diesem Fall wird jetzt eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt.
Der erste Grund dafür, dass es eine erste Grenzlinie Y(N) und eine zweite Grenzlinie Y(N) gibt, besteht darin, dass die Verbrennungstemperatur auf der Hochlastseite im Betriebsbereich II relativ hoch ist und man die Niedertemperaturverbrennung nicht sofort durchführen kann, nachdem die Lastanforderung L die erste Grenzlinie X(N) unterschritten hat. Mit anderen Worten, die Niedertemperaturverbrennung kann erst dann sofort beginnen, wenn die Lastanforderung L relativ niedrig ist und die zweite Grenzlinie Y(N) unterschritten hat. Der zweite Grund besteht darin, dass durch eine Hysterese ein kurzzeitiges Hin- und Herwechseln zwischen dem Betriebsbereich I und dem Betriebsbereich II verhindert werden soll.
12 zeigt einen Ausgangswert des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21. Der Ausgangsstrom I des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 ändert sich in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K. Demzufolge kann man das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aus dem Ausgangsstrom I des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 erkennen.
Im folgenden wird unter Bezug auf 13 in groben Zügen die Betriebssteuerung im Betriebsbereich I und im Betriebsbereich II erläutert.
13 zeigt die Änderungen des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16, des Öffnungsgrades des AGR-Steuerventils 23, der AGR-Rate, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, des Einspritzzeitpunktes und der Einspritzmenge in Abhängigkeit von den Änderungen der Lastanforderung L. Wenn die Lastanforderung L im Betriebsbereich I von 13 ansteigt, erhöht sich der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 allmählich vom fast vollständig geschlossenen bis zum halb offenen Zustand. Mit ansteigender Lastanforderung L erhöht sich ferner der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 allmählich vom fast vollständig geschlossenen bis zum halb offenen Zustand. Ferner beträgt die AGR-Rate gemäß einem in 13 gezeigten Beispiel im Betriebsbereich I etwa 70 %, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist leicht mager.
Mit anderen Worten, der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 und des AGR-Steuerventils 23 wird so gesteuert, dass im Betriebsbereich I die AGR-Rate etwa 70 % beträgt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis leicht mager ist. Dabei wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Änderung eines Öffnungsgrades des AGR-Steuerventils 23 auf Grundlage eines Ausgangssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 so gesteuert, dass ein Zielwert eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erreicht wird. Ferner erfolgt die Kraftstoffeinspritzung im Betriebsbereich I vor dem oberen Totpunkt oT während des Verdichtungstaktes. Dabei wird der Einspritzstartzeitpunkt θS bei steigender Lastanforderung L verzögert. Gleichzeitig wird auch der Einspritzendzeitpunkt θE im gleichen Maße wie der Einspritzstartzeitpunkt θS verzögert.
Im Leerlauf werden die Drosselklappe 16 und das AGR-Steuerventil 23 fast ganz geschlossen. Wenn die Drosselklappe 16 fast ganz geschlossen wird, geht der Druck in der Verbrennungskammer 5 zu Beginn des Verdichtungstaktes zurück. Dadurch sinkt auch der Kompressionsdruck. Wenn der Kompressionsdruck sinkt, verringert sich die durch den Kolben 4 geleistete Verdichtungsarbeit, sodass die Schwingungen des Motorkörpers 1 abnehmen. Mit anderen Worten, im Leerlauf wird die Drosselklappe 16 fast ganz geschlossen, um die Schwingungen des Motorkörpers 1 zu reduzieren.
Wenn der Motor hingegen vom Betriebsbereich I zum Betriebsbereich I wechselt, wird der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 schrittweise vom halb offenen bis zum ganz geöffneten Zustand erhöht. Gemäß dem in 13 gezeigten Beispiel wird dann die AGR-Rate schrittweise von etwa 70 % auf 40 % oder weniger gesenkt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis schrittweise erhöht. Da also die AGR-Rate über einen Bereich hinaus erhöht wird, in welchem große Rauchmengen erzeugt werden (9), besteht während des Wechsels des Motors vom Betriebsbereich I zum Betriebsbereich II keine Möglichkeit, dass große Rauchmengen erzeugt werden.
Im Betriebsbereich II verläuft die herkömmliche Verbrennung. Während der herkömmlichen Verbrennung ist der thermische Wirkungsgrad höher als bei der Niedertemperaturverbrennung, obwohl eine geringe Menge Ruß und NOx erzeugt wird. Demzufolge wird die Einspritzmenge schrittweise verringert, wenn der Motor vom Betriebsbereich I zum Betriebsbereich II wechselt.
Abgesehen von einigen Sonderfällen bleibt die Drosselklappe 16 im Betriebsbereich II ganz geöffnet, und der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 wird bei zunehmender Lastanforderung L allmählich verringert. Im Betriebsbereich II nehmen mit zu nehmender Lastanforderung L die AGR-Rate und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ab. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bleibt jedoch mager, selbst wenn die Lastanforderung L zunimmt. Ferner liegt der Einspritzstartzeitpunkt θS während des Verdichtungstaktes in der Nähe des oberen Totpunktes oT.
14 zeigt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K im Betriebsbereich I. Die Kurven in 14 zeigen die Fälle, in denen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K = 15,5, L/K = 16, L/K = 17 bzw. L/K = 18 beträgt. Die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse zwischen diesen Kurven erhält man durch lineare Interpolation. Im Betriebsbereich I ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager. Mit abnehmender Lastanforderung L verschiebt sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K weiter zur mageren Seite.
Mit anderen Worten, bei abnehmender Lastanforderung L nimmt die durch die Verbrennung freigesetzte Wärmemenge ab. Demzufolge kann man bei abnehmender Lastanforderung L die Niedertemperaturverbrennung leichter durchführen, obwohl die AGR-Rate verringert wurde. Bei kleinerer AGR-Rate steigt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an. Deshalb steigt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K in 14 bei abnehmender Lastanforderung L an. Je stärker das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K ansteigt, desto stärker geht der Kraftstoffverbrauch zurück. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K wird somit gemäß der vorliegenden Ausführungsart bei abnehmender Lastanforderung L angehoben, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so mager wie möglich zu gestalten.
Der zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf einen in 14 gezeigten Zielwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erforderliche Zielöffnungsgrad ST der Drosselklappe 16 wird zuvor in Form einer Tabelle gemäß 15A als Funktion der Lastanforderung L und der Motordrehzahl N im ROM 32 gespeichert. Ferner wird der zum Einstellen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf den Zielwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erforderliche Zielöffnungsgrad SE des AGR-Steuerventils 23 zuvor in Form einer Tabelle gemäß 15B als Funktion der Lastanforderung L und der Motordrehzahl N im ROM 32 gespeichert.
16 zeigt einen Zielwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im zweiten Verbrennungsmodus, also wenn die herkömmliche Verbrennung durchgeführt wird. Die Kurven in 16 zeigen die Fälle, in welchen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K = 24, L/K = 35, L/K = 45 bzw. L/K = 60 beträgt. Der Zielöffnungsgrad ST der Drossellappe 16 und der Zielöffnungsgrad SE des AGR-Steuerventils 23 werden zuvor in Form einer Tabelle gemäß 15A und 15B als Funktion der Lastanforderung L und der Motordrehzahl N im ROM 32 gespeichert.
Der im Gehäuse 20 untergebrachte NOx-Absorber 19 von 1 besteht aus einem Trägermaterial wie beispielsweise Aluminiumoxid. Auf dieses Trägermaterial sind ein Alkalimetall wie beispielsweise Kalium (K), Natrium (Na), Lithium (Li) oder Cäsium (Cs), ein Erdalkalimetall wie beispielsweise Barium (Ba) oder Calcium (Ca), mindestens ein Seltenerdmetall wie beispielsweise Lanthan (La) oder Yttrium (Y) und ein Edelmetall wie beispielsweise Platin (Pt) aufgebracht. Das Verhältnis zwischen der Luft und dem Kraftstoff (Kohlenwasserstoff), die in die Ansaugleitung des Motors, die Verbrennungskammer 5 und die Abgasleitung vor dem NOx-Absorber 19 eingeleitet wurden, wird als Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den NOx-Absorber 19 strömenden Abgases bezeichnet. wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mager ist, absorbiert der NOx-Absorber 19 das NOx. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fett oder stöchiometrisch ist, setzt der NOx-Absorber 19 das in ihm absorbierte NOx wieder frei.
Der in der Abgasleitung des Motors angeordnete NOx-Absorber 19 führt die Funktionen der NOx-Absorption und -Freisetzung aus. Der genaue Mechanismus der Funktionen der NOx-Absorption und -Freisetzung sind jedoch nicht vollständig geklärt. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass diese Funktionen der NOx-Absorption und -Freisetzung bei dem in 17A und 17B gezeigten Mechanismus ausgeführt werden. Dieser Mechanismus wird im Folgenden anhand eines Beispiels erläutert, bei welchem das Trägermaterial mit Platin (Pt) und Barium (Ba) beschichtet ist. Allerdings läuft ein ähnlicher Mechanismus ab, wenn man ein anderes Edelmetall, Alkalimetall, Erdalkalimetall oder Seltenerdmetall verwendet.
Bei dem in 1 gezeigten Selbstzünder-Verbrennungsmotor verläuft die Verbrennung normalerweise bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Während dieser Verbrennung bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis weist das Abgas eine hohe Sauerstoffkonzentration auf. Dabei lagert sich gemäß 17A Sauerstoff O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt an. Das im Abgas enthaltene NOx hingegen reagiert an der Oberfläche des Pt mit dem O₂ ^– oder O^2– zu NO₂ (2NO + O₂ → 2NO₂). Dann wird ein Teil des erzeugten NO₂ auf dem Pt oxidiert, im Absorber absorbiert, verbindet sich gemäß 17A mit dem Bariumoxid (BaO) und verteilt sich im Absorber in Form von Nitrationen NO₃ ^–. Auf diese Weise wird das NOx im NOx-Absorber 19 absorbiert. Solange die Sauerstoffkonzentration im einströmenden Abgas hoch ist, wird an der Oberfläche des Pt NO₂ erzeugt. Solange die Absorptionskapazität des NOx-Absorbers noch nicht erschöpft ist, wird in diesem NO₂ absorbiert und ein Nitration NO₃ ^– erzeugt.
Wenn jedoch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fett wird, sinkt die Sauerstoffkonzentration im einströmenden Abgas, sodass die Menge des an der Oberfläche des Pt erzeugten NO₂ abnimmt. Wenn die erzeugte NO₂-Menge zurückgegangen ist, verläuft die Reaktion in umgekehrter Richtung (NO₃ ^– → NO₂), und das im Absorber befindliche Nitration NO₃ ^– wird aus diesem in Form von NO₂ freigesetzt. In diesem Augenblick reagiert das aus dem NOx-Absorber 19 freigesetzte NOx gemäß 17B mit einer großen Menge im einströmenden Abgas enthaltener unverbrannter Kohlenwasserstoffe, und zwar CO, und wird reduziert. Auf diese Weise gibt der Absorber das NO₂ ständig ab, und es verschwindet von der Oberfläche des Pt. Wenn man also das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fett macht, wird das NOx innerhalb kurzer Zeit vom NOx-Absorber 19 abgegeben. Da das derart freigesetzte NOx reduziert wird, kann so kein NOx in die Atmosphäre abgegeben werden.
Hierbei wird das NOx auch bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases aus dem NOx-Absorber 19 freigesetzt. Bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases wird das NOx jedoch nur allmählich aus dem NOx-Absorber 19 freigesetzt. Daher dauert es dann relativ lange, bis das gesamte im NOx-Absorber 19 absorbierte NOx freigesetzt wurde.
Der NOx-Absorber 19 enthält gemäß dem obigen Beispiel ein Edelmetall wie beispielsweise Pt und weist somit eine Oxidationsfunktion auf. Andererseits wird gemäß der obigen Beschreibung kaum Ruß erzeugt, wenn sich der Motor im Betriebsbereich I befindet und die Niedertemperaturverbrennung stattfindet. Statt des Rußes werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe in Form einer Rußvorstufe oder einer Vorform dieser Rußvorstufe aus der Verbrennungskammer 5 ausgestoßen. Da der NOx-Absorber 19 jedoch gemäß der obigen Beschreibung die Oxidationsfunktion aufweist, werden die aus der Verbrennungskammer 5 ausgestoßenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe in geeigneter Weise durch den NOx-Absorber 19 oxidiert.
Man muss allerdings anmerken, dass die NOx-Absorptionskapazität des NOx-Absorbers 19 begrenzt ist. Daher muss das NOx aus dem NOx-Absorber 19 freigesetzt werden, bevor dessen NOx-Absorptionskapazität erschöpft ist. Zu diesem Zweck muss man die im NOx-Absorber 19 absorbierte NOx-Menge ungefähr ermitteln. Zuvor wird gemäß der vorliegenden Ausführungsart die während des ersten Verbrennungsmodus je Zeiteinheit absorbierte NOx-Menge A als Funktion der Lastanforderung L und der Motordrehzahl N berechnet und in Form einer Tabelle gemäß 18A gespeichert. Die während des zweiten Verbrennungsmodus je Zeiteinheit absorbierte NOx-Menge B wird zuvor als Funktion der Lastanforderung L und der Motordrehzahl N berechnet und in Form einer Tabelle gemäß 18B gespeichert. Durch Multiplizieren dieser Absorptionsmengen A und B kann man die Gesamtmenge ΣNOx des im NOx-Absorber 19 absorbierten NOx ungefähr ermitteln.
Bei der vorliegenden Ausführungsart wird aus dem NOx-Absorber 19 NOx freigesetzt, wenn die Gesamtmenge ΣNOx des absorbierten NOx einen höchstzulässigen Wert MAX überschreitet. Das heißt, wenn die Gesamtmenge ΣNOx des absorbierten NOx während der Niedertemperaturverbrennung den höchstzulässigen Wert MAX überschritten hat, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskammer 5 vorübergehend fett gemacht, wodurch NOx aus dem NOx-Absorber 19 freigesetzt wird. Gemäß der obigen Beschreibung wird kaum Ruß erzeugt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Niedertemperaturverbrennung fett gemacht wird.
Wenn hingegen die Gesamtmenge ΣNOx des absorbierten NOx den höchstzulässigen Wert MAX während des zweiten Verbrennungsmodus überschritten hat, wird gemäß 4 und 5 während des geöffneten Auslassventils 9 eine zusätzliche Kraftstoffmenge Qa eingespritzt. Die zusätzliche Kraftstoffmenge Qa ist so bemessen, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den NOx-Absorber 19 einströmenden Abgases fett wird. Mit anderen Worten, nach der Einspritzung der zusätzlichen Kraftstoffmenge Qa wird NOx aus dem NOx-Absorber 19 freigesetzt.
19 zeigt eine Routine zur Verarbeitung einer NOx-Freisetzungsmarkierung, die gesetzt wird, wenn aus dem NOx-Absorber 19 NOx freigesetzt wird. Diese Routine wird in Form von Unterbrechungen in konstanten Zeitintervallen durchgeführt.
Zuerst wird in Schritt 100 ermittelt, ob eine Markierung I gesetzt wurde, welche anzeigt, dass sich der Motor im Betriebsbereich I befindet. Wenn die Markierung I gesetzt wurde, wenn sich also der Motor im Betriebsbereich I befindet, geht der Prozess weiter zu Schritt 101, wo aus der in 18A gezeigten Tabelle die je Zeiteinheit absorbierte NOx-Menge A berechnet wird. Dann wird A in Schritt 102 zur Gesamtmenge ΣNOx des absorbierten NOx addiert. Dann 'wird in Schritt 103 ermittelt, ob die Gesamtmenge ΣNOx des absorbierten NOx den höchstzulässigen Wert MAX überschritten hat. Wenn ΣNOx > MAX ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 104, wo für eine bestimmte Zeitdauer die NOx-Freisetzungsmarkierung gesetzt wird. Dann wird ΣNOx in Schritt 105 gleich null gesetzt.
Wenn jedoch in Schritt 100 ermittelt wurde, dass die Markierung I zurückgesetzt wurde, dass sich der Motor also im Betriebsbereich I befindet, geht der Prozess weiter zu Schritt 106, wo aus der in 18B gezeigten Tabelle die je Zeiteinheit absorbierte NOx-Menge B berechnet wird. Dann wird B in Schritt 107 zur Gesamtmenge ΣNOx des absorbierten NOx addiert. Dann wird in Schritt 108 ermittelt, ob die Gesamtmenge ΣNOx des absorbierten NOx den höchstzulässigen Wert MAX überschritten hat. Wenn ΣNOx > MAX ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 109, wo für eine bestimmte Zeitdauer die NOx-Freisetzungsmarkierung gesetzt wird. Dann wird ΣNOx in Schritt 110 gleich null gesetzt.
Im folgenden wird unter Bezug auf 20 die Betriebssteuerung beschrieben.
Zuerst wird in Schritt 200 ermittelt, ob die Markierung I gesetzt worden ist, welche anzeigt, dass sich der Motor im Betriebsbereich I befindet. Wenn die Markierung I gesetzt worden ist, wenn sich also der Motor im Betriebsbereich I befindet, geht der Prozess weiter zu Schritt 201, um zu ermitteln, ob die Lastanforderung L die erste Grenzlinie X(N) überschritten hat. Wenn L ≤ X(N) ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 203, wo die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird.
In Schritt 203 wird dann aus der in 15A gezeigten Tabelle ein Zielöffnungsgrad ST der Drosselklappe 16 berechnet und der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 gleich diesem Zielöffnungsgrad ST gesetzt. Dann wird in Schritt 204 aus der in 15B gezeigten Tabelle ein Zielöffnungsgrad SE des AGR-Steuerventils 23 berechnet und der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 gleich diesem Zielöffnungsgrad SE gesetzt. Dann wird in Schritt 205 ermittelt, ob die NOx-Freisetzungsmarkierung gesetzt worden ist. Wenn die NOx-Freisetzungsmarkierung nicht gesetzt worden ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 206, wo die Kraftstoffeinspritzung so durchgeführt wird, dass das in 14 gezeigte Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht wird. In diesem Augenblick wird die Niedertemperaturverbrennung mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt.
Wenn in Schritt 205 hingegen ermittelt wird, dass die NOx-Freisetzungsmarkierung gesetzt worden ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 207, wo die Kraftstoffeinspritzung so durchgeführt wird, dass das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer 5 fett ist. In diesem Augenblick wird NOx aus dem NOx-Absorber 19 freigesetzt.
Wenn in Schritt 201 hingegen ermittelt wurde, dass L > X(N) ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 202, wo die Markierung I zurückgesetzt wird. Dann geht der Prozess weiter zu Schritt 210, wo die zweite Verbrennung durchgeführt wird.
In Schritt 210 wird aus der in 17A gezeigten Tabelle ein Zielöffnungsgrad ST der Drosselklappe 16 berechnet und der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 gleich diesem Zielöffnungsgrad ST gesetzt. Dann wird in Schritt 211 wird aus der in 17B gezeigten Tabelle ein Zielöffnungsgrad SE des AGR-Steuerventils 23 berechnet und der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 gleich diesem Zielöffnungsgrad SE gesetzt. Dann wird in Schritt 212 ermittelt, ob die NOx-Freisetzungsmarkierung gesetzt worden ist. Wenn die NOx-Freisetzungsmarkierung gesetzt wurde, geht der Prozess weiter zu Schritt 213, wo die Kraftstoffeinspritzung so durchgeführt wird, dass das in 16 gezeigte Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die zweite Verbrennung mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt.
Wenn in Schritt 212 jedoch ermittelt wurde, dass die NOx-Freisetzungsmarkierung gesetzt worden ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 214, wo zunächst die Haupteinspritzung Qm (5) durchgeführt wird, sodass das in 16 gezeigte Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht und folglich der zweite Verbrennungsmodus mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird. Dann wird gemäß 4 und 5 eine zusätzliche Kraftstoffmenge Qa bei geöffnetem Auslassventil 9 eingespritzt, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den NOx-Absorber 19 einströmenden Abgases fett wird. Dadurch kommt es zur Freisetzung von NOx aus dem NOx-Absorber 19.
4 zeigt, dass ein Teil der während des geöffneten Auslassventils 9 eingespritzten zusätzlichen Kraftstoffmenge auf die Rückenfläche des abgestuften Teils des Auslassventils 9 trifft, von dort zurückprallt und in die Auslassöffnung 10 gelangt. Dadurch kann man erreichen, dass die an einer Innenwandfläche einer Zylinderbohrung haftende Menge des eingespritzten Kraftstoffs verringert wird. Somit wird es möglich, die Entstehung unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu unterbinden und die Verdünnung des Schmieröls durch den anhaftenden Kraftstoff zu verhindern.
Wenn die Markierung I zurückgesetzt war, durchläuft der Prozess während des folgenden Prozesszyklus die Schritte 200 bis 208, in welchem ermittelt wird, ob die Lastanforderung L kleiner als die zweite Grenzlinie Y(N) ist. Wenn L ≥ Y(N) ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 210, wo die zweite Verbrennung mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird.
Wenn in Schritt 208 jedoch ermittelt wird, dass L < Y(N) ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 209, wo die Markierung I gesetzt wird. Dann geht der Prozess weiter zu Schritt 203, wo die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird.
Bei der oben erwähnten Ausführungsart kann gemäß 21 ein Katalysator 50 mit Oxidationsfunktion wie beispielsweise ein Oxidationskatalysator oder ein Dreiwegekatalysator in die Abgasleitung vor dem NOx-Absorber 19 eingebaut sein.
Außerdem ist, wie in 22 und 23 gezeigt, in der oberen Fläche des Kolbens 4 eine im Allgemeinen kugelförmige Aussparung 5b gebildet. Weiterhin ist in der oberen Fläche des Kolbens 4 eine Führungsrille 5 gebildet, welche tangential mit einer inneren Umfangsfläche der Aussparung 5b verbunden ist und sich unter einem der Auslassventile 9 erstreckt. Ferner ist das Kraftstoffeinspritzventil 6 zwischen einem Paar Auslassventilen 9 und um die Innenwandfläche des Zylinderkopfes herum oberhalb eines äußeren Endteils der Führungsrille 5c angeordnet. Das Kraftstoffeinspritzventil 6 hat eine Düsenöffnung, durch welche der Kraftstoff F eingespritzt wird. Der so eingespritzte Kraftstoff F gelangt durch die Führungsrille 5c und trifft tangential auf die innere Umfangsfläche des Aussparung 5b. Zu diesem Zeitpunkt ist die innere Umfangsfläche der Aussparung 5b mit einem dünnen Kraftstofffilm bedeckt, der sich nach und nach ausbreitet und die Verbrennung auslöst.
22 und 23 zeigen, dass sich der Kraftstoffnebel F an der Unterseite des Auslassventils 9 entlang ausbreitet. Wenn also zusätzlicher Kraftstoff nach dem Öffnen des Auslassventils 9 eingespritzt wird, trifft gemäß 24 der gesamte Kraftstoffnebel F auf die Rückfläche des abgestuften Teils des Auslassventils 9, prallt von dort zurück und strömt in die Auslassöffnung 10. Dadurch kommt es kaum dazu, dass der zu sätzlich eingespritzte Kraftstoff Qa an der Innenwandfläche der Zylinderbohrung anhaftet.
Die in 5 gezeigte Beziehung zwischen den Anhebungsbeträgen des Einlass- und des Auslassventils und der Kraftstoffeinspritzung kann in eine Beziehung gemäß 25 umgesetzt werden. Wenn in diesem Fall während des zweiten Verbrennungsmodus NOx aus dem NOx-Absorber 19 freigesetzt werden soll, wird während der zweiten Hälfte eines Arbeitstaktes zusätzlicher Kraftstoff Qa eingespritzt, was in 25 als durchgezogene Linie dargestellt ist. Alternativ wird zusätzlicher Kraftstoff Qa eingespritzt, wenn der Anhebungsbetrag des Auslassventils 9 klein ist und daher der eingespritzte Kraftstoff nicht auf das Auslassventil 9 trifft.
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsart der vorliegenden Erfindung beschrieben.
26 zeigt die zweite Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. In 26 und 1 werden gleich Komponenten durch gleiche Bezugsnummern bezeichnet.
Bei der zweiten Ausführungsart ist ein Druckausgleichsbehälter 12 über eine Ansaugleitung und eine Kühlvorrichtung 44 mit einem Ausgang eines Verdichters 46 oder einer Ladevorrichtung wie beispielsweise eines Abgasturboladers 45 verbunden. Ein Eingang des Verdichters 46 ist über eine Ansaugleitung 47 mit einem Luftfilter 48 verbunden. In die Ansaugleitung 47 ist eine durch einen Schrittmotor 19 angetriebene Drosselklappe 16 eingebaut.
Andererseits ist der Ausgang 10 über den Abgaskrümmer 17 und die Abgasleitung 18 mit einem Eingang einer Abgasturbine 53 des Abgasturboladers 45 verbunden. Ein Ausgang der Abgastur bine 53 ist über eine Abgasleitung 54 mit einer katalytischen Umwandlungsvorrichtung 56 verbunden. Diese enthält einen Katalysator 55 mit Oxidationsfunktion.
Eine Abgasleitung 58, welche mit einem Ausgang der katalytischen Umwandlungsvorrichtung 56 in Verbindung steht, und die Luftansaugleitung nach der Drosselklappe 16 sind über die AGR-Leitung 22 miteinander verbunden. In die AGR-Leitung 22 ist das durch einen Schrittmotor 60 angetriebene AGR-Steuerventil 23 eingebaut.
Ferner ist oberhalb der Drosselklappe 16 ein Massendurchsatzmeter 67 zum Messen der Masse der Ansaugluft in die Luftansaugleitung 47 eingebaut. Ein Ausgangssignal des Massendurchsatzmeter 67 wird über den entsprechenden A/D-Umsetzer 37 in den Eingang 35 der ECU 30 eingegeben. Weiterhin wird ein aus einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 43 ausgegebener Ausgangsimpuls in den Eingang der ECU 30 eingegeben, der die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt.
Die Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe 16 ist über eine Unterdruckleitung 81 mit einem Bremskraftverstärker 80 verbunden. Der Bremskraftverstärker 80 ist gemäß 27 mit einem Druckkolben 83, einer zu beiden Seiten des Druckkolbens 83 gebildeten ersten und zweiten Kammer 84 bzw. 85, einem mit einem Stempel 86 ausgerüsteten Betätigungsstift 87 und einem Steuerventil 88 ausgestattet. Am Druckkolben 83 ist ein Stößel 89 befestigt, welcher einen Hauptzylinder 70 zur Erzeugung eines Bremsflüssigkeitsdrucks betätigt. Ferner steht der Betätigungsstift 87 mit einem Bremspedal 71 in Verbindung.
Die Unterdruckleitung 81 steht mit der ersten Kammer 84 in Verbindung. In die Unterdruckleitung 81 ist ein Rückschlagventil 82 eingebaut, welches die Luft nur von der ersten Kam mer in die Luftansaugleitung 47 strömen lässt. Wenn in der Luftansaugleitung 47 ein Unterdruck erzeugt wird, welcher größer ist als der Unterdruck in der ersten Kammer 84, öffnet das Rückschlagventil 82. Auf diese Weise wird in der ersten Kammer 84 der größtmögliche in der Luftansaugleitung 47 erzeugte Unterdruck aufrechterhalten.
27 zeigt, dass die erste Kammer 84 und die zweite Kammer 85 beim Loslassen des Bremspedals 71 über ein Paar Verbindungskanäle 72 und 73 miteinander in Verbindung stehen. Dadurch entstehen in der ersten Kammer 84 und der zweiten Kammer 85 unterschiedliche Drücke. Wenn das Bremspedal 71 getreten wird, bewegt sich das Steuerventil 88 gemeinsam mit dem Betätigungsstift 87 nach links. Dadurch wird der Verbindungskanal 72 durch das Steuerventil 88 gesperrt. Damit sich der Stempel 86 vom Steuerventil 88 trennt, wird die zweite Kammer 85 über einen Atmosphärenverbindungskanal 74 zur Atmosphäre hin geöffnet, sodass die zweite Kammer 85 unter Atmosphärendruck steht. Folglich kommt es zwischen der ersten Kammer 84 und der zweiten Kammer 85 zu einem Druckunterschied. Dieser Druckunterschied verschiebt den Druckkolben 83 nach links.
Beim Loslassen des Bremspedals 71 jedoch werden der Atmosphärenverbindungskanal 74 durch den Stempel 86 verschlossen und die entsprechenden Verbindungskanäle 72 und 73 geöffnet. Dadurch treten die erste Kammer 84 und die zweite Kammer 85 wieder in Verbindung miteinander. In den Bremskraftverstärker 80 ist ein Drucksensor 75 zur Messung eines Absolutdrucks in der ersten Kammer 84 eingebaut. Ein Ausgangssignal des Drucksensors 75 wird über den entsprechenden A/D-Umsetzer 37 in den Eingang 35 eingegeben.
Dabei ist zu beachten, dass als Katalysator 55 ein Oxidationskatalysator oder der NOx-Absorber der ersten Ausführungsart verwendet werden kann.
Mit zunehmender Lastanforderung muss, wie unter Bezug auf 10 beschrieben wurde, die AGR-Gasmenge erhöht werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsart hat jedoch die Gesamtmenge des Gases, das in die Verbrennungskammer 5 eingelassen werden kann, einen oberen Grenzwert Y, wenn keine Aufladung erfolgt. Daher kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Bereich in 10 mit einer Lastanforderung größer als L0 nicht stöchiometrisch bleiben, wenn der Anteil des AGR-Gases nicht entsprechend der zunehmenden Lastanforderung verringert wird. Mit anderen Worten, wenn man versucht, in einem Bereich mit einer Lastanforderung größer als L0 ohne Aufladung ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzuhalten, sinkt die AGR-Rate entsprechend der zunehmenden Lastanforderung. Somit kann man in einem Bereich mit einer Lastanforderung größer als L0 die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases nicht mehr unterhalb einer Temperatur halten, bei welcher Ruß erzeugt wird.
Die AGR-Rate kann in einem Bereich mit einer Lastanforderung größer als L0 auf einem Wert von 55 % oder mehr, z.B. bei 70 %, gehalten werden, wenn das AGR-Gas gemäß 26 über die RGR-Leitung 22 zu einer Einlassseite des Laders, und zwar zur Luftansaugleitung 47 des Abgasturboladers 45 zurückgeführt wird. Außerdem kann man die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases unterhalb einer Temperatur halten, bei welcher Ruß erzeugt wird. Wenn man also das RGR-Gas wieder zurückführt, um die AGR-Rate in der Luftansaugleitung 47 beispielsweise auf 70 % zu bringen, wird das in den Verdichter 46 eingeleitete Gas komprimiert, und die AGR-Rate er reicht den Wert von 70 %. Solange der Grenzwert der Verdichtung durch den Verdichter 46 noch nicht erreicht ist, kann man die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases unterhalb einer Temperatur halten, bei welcher Ruß erzeugt wird. Dadurch kann man den Betriebsbereich des Motors erweitern, in welchem die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden kann.
Wenn die AGR-Rate in einem Bereich mit einer Lastanforderung größer als L0 auf einen Wert von 55 % oder höher gesetzt wird, ist das AGR-Steuerventil ganz geöffnet und die Drosselklappe 16 ein wenig geschlossen.
Bei der oben erwähnten ersten Ausführungsart wird anhand der Beziehung zwischen der Lastanforderung und der ersten Grenzlinie X(N) oder der zweiten Grenzlinie Y(N) ermittelt, ob ein Wechsel zwischen dem Betriebsbereich I und dem Betriebsbereich II gemäß 11 erfolgt ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsart wird diese Ermittlung jedoch nicht anhand der Lastanforderung L, sondern anhand der Drehmomentanforderung TQ vorgenommen.
28A zeigt eine Beziehung zwischen der Drehmomentanforderung TQ, der Lastanforderung L (d.h. dem Auslenkungsbetrag des Gaspedals 40) und der Motordrehzahl N. Die einzelnen Kurven in 28A sind Kurven mit konstantem Drehmoment. Die Kurve TQ = 0 zeigt, dass das Drehmoment gleich null ist. Die anderen Kurven zeigen, dass das Drehmoment in der Reihenfolge TQ = a, TQ = b, TQ = c und TQ = d allmählich ansteigt. Die in 28A gezeigte Drehmomentanforderung TQ wird zuvor als Funktion des Auslenkungsbetrages L des Gaspedals 20 und der Motordrehzahl N in Form einer Tabelle in 28B im ROM 32 gespeichert. Bei der vorliegenden Ausführungsart wird zuerst aus der in 28B gezeigten Tabelle eine der Lastanforde rung L und der Motordrehzahl entsprechende Drehmomentanforderung TQ berechnet. Auf Grundlage der Drehmomentanforderung TQ wird eine Kraftstoffeinspritzmenge oder Ähnliches berechnet.
Die Beziehung zwischen der Drehmomentanforderung TQ und dem Zielwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses L/K ist mit der in 14 gezeigten Beziehung zwischen der Lastanforderung L und dem Zielwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses L/K identisch. Das heißt, dass der Zielwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses L/K im Betriebsbereich I entsprechend der erhöhten Drehmomentanforderung TQ erhöht wird.
Die Einspritzmenge Q im Betriebsbereich I wird zuvor als Funktion der Drehmomentanforderung TQ und der Motordrehzahl N in Form einer in 29A gezeigten Tabelle im ROM 32 gespeichert. Auch der Einspritzstartzeitpunkt θS wird zuvor in Form einer in 29B gezeigten Tabelle im ROM 32 gespeichert.
Ebenso wie bei 15A und 15B werden der Zielöffnungsgrad STT der Drosselklappe 16 und der Zielöffnungsgrad SE des AGR-Steuerventils 23, die zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf den in 14 gezeigten Zielwert erforderlich sind, zuvor in Form der in 30A und 30B gezeigten Tabellen im ROM 32 gespeichert.
Bei dem in 27 gezeigten Bremskraftverstärker 80 wird die Bremskraft während des Bremsvorgangs um so größer, je größer der absolute Druckunterschied zwischen der ersten Kammer 84 und der zweiten Kammer 85 wird. Mit anderen Worten, wenn der Absolutdruck in der ersten Kammer 84 kleiner und somit der Unterdruck in dieser Kammer größer wird, nimmt die Bremskraft während des Bremsvorgangs zu. Um das Fahrzeug in geeigneter Weise abbremsen zu können, wird bei höherer Fahrzeuggeschwindigkeit eine größere Bremskraft benötigt. Vorzugsweise sollte daher der Mindestwert des erforderlichen Unterdrucks in der ersten Kammer 84 mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit zunehmen. Deshalb wird gemäß der zweiten Ausführungsart ein Zielschwellenwert tP des Absolutdrucks in der ersten Kammer 84, der mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit SP abnimmt, zuvor gemäß 31 gespeichert. Dadurch wird verhindert, dass der Absolutdruck in der ersten Kammer 84 den Zielschwellenwert tP überschreitet.
Beim Durchführen der in der ersten Ausführungsart beschriebenen Niedertemperaturverbrennung im Leerlauf werden die Drosselklappe 16 und das AGR-Steuerventil 23 fast ganz geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wird in der Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe 16 ein Unterdruck erzeugt. Wenn die Drehmomentanforderung TQ klein ist, obwohl kein Leerlaufbetrieb vorliegt, ist der jeweilige Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 und des AGR-Steuerventils 23 klein, wie bei dem in 13 gezeigten Fall mit geringer Lastanforderung L gezeigt ist. Auch in diesem Fall entsteht somit in der Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe 16 ein Unterdruck.
Bei der zweiten Ausführungsart wird beim Abbremsen des Fahrzeugs die Kraftstoffeinspritzung unterbrochen und die Drosselklappe 16 ganz geschlossen. Wenn die Drosselklappe 16 ganz geschlossen ist, steigt der Unterdruck in der Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe 16 und in der Verbrennungskammer 5 so stark an, dass es problematisch wird. Das heißt, das zwischen dem Kolben 4 und der Innenwandfläche der Zylinderbohrung befindliche Schmieröl wird in die Verbrennungskammer 5 eingesaugt. Um ein solches Problem durch geringfügige Verringerung des Unterdrucks in der Verbrennungskammer 5 zu vermeiden, wird das AGR-Steuerventil 23 bei ganz geschlossener Drosselklappe 16 geöffnet und bei einem vorgegebenen Öffnungsgrad belassen. Zu diesem Zeitpunkt wird ein starker Un terdruck in der Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe erzeugt.
Auf diese weise wird bei der vorliegenden Ausführungsart auch bei kleiner Drehmomentanforderung TQ in der Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe 16 ein starker Unterdruck erzeugt. Auch bei Beschleunigung des Fahrzeugs wird in der Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe 16 ein starker Unterdruck erzeugt. Deshalb ist der Absolutdruck in der ersten Kammer 84 des Bremskraftverstärkers 80 normalerweise wesentlich niedriger als der in 31 gezeigte Zielschwellenwert tP. Allerdings kann aus bestimmten Gründen der Absolutdruck in der ersten Kammer 84 den Zielschwellenwert tP erreichen oder überschreiten.
Wenn angesichts dessen der Absolutdruck in der ersten Kammer 84 des Bremskraftverstärkers 80 gemäß der vorliegenden Erfindung über den Zielschwellenwert tP angestiegen ist, wird die Drosselklappe 16 oder das AGR-Steuerventil 23 während der Niedertemperaturverbrennung allmählich geöffnet. Bei geöffneter Drosselklappe 16 sinkt nämlich der Absolutdruck in der Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe 16. Übrigens sinkt der Absolutdruck in der Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe 16 auch, wenn das AGR-Steuerventil 23 geöffnet wird. Somit kann der Absolutdruck in der ersten Kammer 84 durch Öffnen der Drosselklappe 16 oder des AGR-Steuerventils 23 verringert werden.
Genauer gesagt, wenn der Absolutdruck in der ersten Kammer 84 des Bremskraftverstärkers 80 den Zielschwellenwert tP überschreitet, wird zuerst die Drosselklappe 16 allmählich geöffnet. Wenn die Drosselklappe 16 geschlossen wird, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis allmählich kleiner. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einen vorgegebenen Wert erreicht hat, wenn es zum Beispiel stöchiometrisch ist, wird das AGR-Steuerventil 23 allmählich geöffnet.
Die AGR-Rate wirkt sich nämlich stark auf die Niedertemperaturverbrennung aus. Dabei reagiert die AGR-Rate nicht so stark auf die Änderung des Öffnungsgrades der Drosselklappe 16 wie auf die Änderung des Öffnungsgrades des AGR-Steuerventils 23. Außerdem sinkt dann der Absolutdruck in der Luftansaugleitung 47 nach der Drosselklappe 16 stark. Somit wird die Drosselklappe 16 gemäß der vorliegenden Ausführungsart vor dem AGR-Steuerventil 23 geöffnet. Wenn das AGR-Steuerventil 23 geöffnet wird und die AGR-Rate abnimmt, wird der optimale Einspritzzeitpunkt verzögert. Daher wird der Einspritzstartzeitpunkt verzögert, wenn das AGR-Steuerventil 23 geschlossen wird.
Im Folgenden wird unter Bezug auf 32 eine Routine zur Verarbeitung einer Einspritzstoppmarkierung zum Unterbrechen der Kraftstoffeinspritzung beschrieben.
Zuerst wird in Schritt 300 ermittelt, ob die Einspritzstoppmarkierung gesetzt worden ist. Wenn die Einspritzstoppmarkierung nicht gesetzt worden ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 301, wo ermittelt wird, ob die Lastanforderung L (der Auslenkungsbetrag des Gaspedals) gleich null ist. Wenn L = 0 ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 302, in welchem ermittelt wird, ob die Motordrehzahl N einen bestimmten Wert wie beispielsweise 1300 U/min überschreitet. Wenn N > 1300 U/min ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 303. Das heißt, bei L = 0 und N > 1300 U/min wird festgestellt, dass das Fahrzeug verlangsamt wird. Dann geht der Prozess weiter zu Schritt 303, wo die Einspritzstoppmarkierung gesetzt wird.
Wenn die Einspritzstoppmarkierung gesetzt worden ist, geht der Prozess von Schritt 300 weiter zu Schritt 304 und ermittelt dort, ob die Lastanforderung L gleich null ist. Wenn L = 0 ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 305 und ermittelt dort, ob die Motordrehzahl N unter einen bestimmten Wert wie beispielsweise 900 U/min gesunken ist. Wenn N < 900 U/min ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 306, wo die Einspritzstoppmarkierung gesetzt wird. Wird in Schritt 304 hingegen festgestellt, dass L = 0 ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 306 und setzt dort die Einspritzstoppmarkierung zurück.
Im Folgenden wird nun die Betriebssteuerung unter Bezug auf 33 und 34 beschrieben.
Zuerst wird in Schritt 400 ermittelt, ob die Markierung I zur Anzeige des Betriebsbereichs I des Motors gesetzt worden ist. Wenn die Markierung I gesetzt worden ist, wenn sich also der Motor im Betriebsbereich I befindet, geht der Prozess weiter zu Schritt 401 und ermittelt dort, ob die Drehmomentanforderung die erste Grenzlinie X(N) überschritten hat. Wenn TQ ≤ X(N) ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 403 und bestimmt dort, ob die Einspritzstoppmarkierung gesetzt worden ist. wenn die Einspritzstoppmarkierung nicht gesetzt worden ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 404 und führt die Niedertemperaturverbrennung durch.
In Schritt 404 wird nämlich aus der in 30A gezeigten Tabelle ein Zielöffnungsgrad ST der Drosselklappe 16 berechnet. Dann wird in Schritt 405 aus der in 30B ein Zielöffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 berechnet. Dann wird in Schritt 406 aus der in 29A eine Einspritzmenge Q und aus der in 29B ein Einspritzstartzeitpunkt θS berechnet. Dann wird in Schritt 407 anhand einer durch den Fahrzeugge schwindigkeitssensor 43 ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeit aus der in 31 gezeigten Beziehung ein Zielschwellenwert tP in der ersten Kammer 84 des Bremskraftverstärkers 80 berechnet. Dann wird in Schritt 408 ermittelt, ob der durch den Drucksensor 75 gemessene Absolutdruck P in der ersten Kammer 84 den Zielschwellenwert tP überschreitet. Wenn P ≤ tP ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 409 und setzt die entsprechenden Korrekturwerte ΔST, ΔSE und ΔθS gleich null.
Wenn in Schritt 408 hingegen ermittelt wird, dass P > tP ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 401 und berechnet aus der durch den Massendurchflussmesser 67 gemessenen Massendurchflussrate der Ansaugluft sowie der Einspritzmenge Q ein momentanes Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dann wird in Schritt 411 ermittelt, ob das momentane Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K größer als 14,6 ist. Wenn das momentane Luft-Kraftstoff-Verhältnis ≥ 14,6 ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 412 und zieht von Korrekturwert ΔST für den Zielöffnungsgrad der Drosselklappe 16 einen konstanten Wert α ab. Dann wird in Schritt 413 durch Addieren des Korrekturwertes ΔST zum Zielöffnungsgrad ST der Drosselklappe r ein endgültiger Zielöffnungsgrad ST (= ST + ΔST) berechnet. Daraufhin wird die Drosselklappe 16 allmählich geschlossen, wenn das momentane Luft-Kraftstoff-Verhältnis > 14,6 ist.
Wenn jedoch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K ≤ 14,6 ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 414, um vom Korrekturwert ΔSE für den Zielöffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 einen konstanten Wert β abzuziehen. Dann wird in Schritt 415 durch Addieren des Korrekturwertes ΔSE zum Zielöffnungsgrad SE des AGR-Steuerventils 23 ein endgültiger Zielöffnungsgrad SE (= SE + ΔSE) berechnet. Dann wird in Schritt 416 vom Zielwert des Einspritzstartzeitpunktes θS ein konstanter wert γ abge zogen. Dann wird in Schritt 417 durch Addieren des Korrekturwertes ΔθS zum Zielwert des Einspritzstartzeitpunktes θS ein endgültiger Zielwert des Einspritzstartzeitpunktes θS (= θS + ΔθS) berechnet. Wenn also das momentane Luft-Kraftstoff-Verhältnis ≤ 14,6 ist, wird das AGR-Steuerventil 23 allmählich geschlossen und der Einspritzstartzeitpunkt θS allmählich verzögert.
Wenn jedoch in Schritt 410 ermittelt wird, dass TQ > X(N) ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 401, um die Markierung I zu setzten. Dann geht der Prozess weiter zu Schritt 420, und die zweite Verbrennung wird durchgeführt.
Dort, in Schritt 420, wird aus der in 30A gezeigten Tabelle ein Zielöffnungsgrad ST der Drosselklappe 16 berechnet. Dann wird in Schritt 421 aus der in 30B gezeigten Tabelle ein Zielöffnungsgrad SE des AGR-Steuerventils 23 berechnet. Dann wird in schritt 422 aus der in 29A eine Einspritzmenge Q und aus der in 29B gezeigten Tabelle ein Einspritzstartzeitpunkt θS berechnet.
Wenn die Markierung I zurückgesetzt worden ist, geht der Prozess im folgenden Zyklus von Schritt 400 weiter zu Schritt 418 und ermittelt dort, ob das Drehmomentanforderung TQ die zweite Grenzlinie Y(N) unterschritten hat. Wenn TQ ≥ Y(N) ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 420, um den zweiten Verbrennungsmodus durchzuführen. Wenn in Schritt 418 hingegen festgestellt wird, dass TQ < Y(N) ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 419 und setzt dort die Markierung I. Dann geht der Prozess weiter zu Schritt 403.
Wenn in Schritt 403 ermittelt wird, dass die Einspritzstoppmarkierung gesetzt worden ist, geht der Prozess weiter zu Schritt 423 und setzt dort die Einspritzmenge Q gleich null. Dann wird in Schritt 424 der Zielöffnungsgrad der Drosselklappe 16 gleich null gesetzt. Das bedeutet, dass die Drosselklappe 16 ganz geschlossen wird. Dann wird in Schritt 425 der Zielöffnungsgrad SE des AGR-Steuerventils 23 gleich einem vorgegebenen Öffnungsgrad SE0 gesetzt.
Gemäß der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor (1) bereitgestellt, in welchem wahlweise ein erster Verbrennungsmodus und ein zweiter Verbrennungsmodus durchgeführt wird. Während des ersten Verbrennungsmodus enthält eine Verbrennungskammer (5) eine AGR-Gasmenge, die größer ist als eine Menge, bei welcher eine erzeugte Rußmenge ihren Maximalwert erreicht, sodass kaum noch Ruß erzeugt wird. Während des zweiten Verbrennungsmodus enthält die Verbrennungskammer (5) eine AGR-Gasmenge, die kleiner ist als diejenige Menge, bei welcher die erzeugte Rußmenge ihren Maximalwert erreicht. In eine Motorabgasleitung (18) ist ein Schadstoffabsorber, und zwar vorzugsweise ein NOx-Absorber, eingebaut. Zum Freisetzen des NOx aus dem NOx-Absorber (19) während des ersten Verbrennungsmodus wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer (5) fett gemacht. Während des zweiten Verbrennungsmodus wird jedoch während der zweiten Hälfte eines Arbeitstaktes oder während eines Ausstoßtaktes zusätzlicher Kraftstoff (K) in die Verbrennungskammer eingespritzt.

Claims

Verbrennungsmotor (1), bei welchem als Reaktion auf eine Zunahme von inaktivem Gas in einer Verbrennungskammer (5) eine erzeugte Rußmenge allmählich zunimmt und ihren Höchstwert erreicht und bei welchem als Reaktion auf eine weitere Zunahme von inaktivem Gas in der Verbrennungskammer (5) eine Temperatur von Kraftstoff und umgebendem Gas in der Verbrennungskammer (5) während der Verbrennung unter eine Temperatur sinkt, bei welcher Ruß erzeugt wird, sodass kaum Ruß erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass: der Verbrennungsmotor (1) mit einem Schaltmittel (30) zum selektiven Schalten zwischen einem ersten und einem zweiten Verbrennungsmodus ausgestattet ist, wobei die Verbrennungskammer (5) während des ersten Verbrennungsmodus eine inaktive Gasmenge enthält, die größer ist als eine Menge, bei der eine erzeugte Rußmenge ihren Höchstwert erreicht, sodass kaum Ruß erzeugt wird, und wobei die Verbrennungskammer (5) während des zweiten Verbrennungsmodus eine inaktive Gasmenge enthält, die kleiner ist als eine Menge, bei der eine erzeugte Rußmenge ihren Höchstwert erreicht; und während der zweiten Hälfte eines Arbeitstakts oder während eines Ausstoßtakts durch ein Kraftstoffeinspritzventil (6) zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt wird, sodass ein Luftkraftstoffverhältnis des in den Abgasabsorber (19), vorzugsweise einen NOx-Absorber, strömenden Abgases stöchiometrisch oder fett eingestellt wird, sodass Umweltgifte wie vorzugsweise NOx während des zweiten Verbrennungsmodus aus dem Abgasabsorber (19) freigesetzt werden.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Öffnen eines Auslassventils (9) zusätzlicher Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzventil (6) in einen Raum zwischen einer Rückwand eines Spaltteils des Auslassventils und einer Abgasöffnung (10) gespritzt wird, wenn während des zweiten Verbrennungsmodus NOx aus dem NOx-Absorber freigesetzt wird.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Kraftstoff auf die Rückwand des Spaltteils des Auslassventils gespritzt wird.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftkraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer (5) während der Verbrennung vorübergehend auf stöchiometrisch oder auf fett eingestellt wird, wenn während des ersten Verbrennungsmodus NOx aus dem NOx-Absorber (19) freigesetzt wird.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Motorabgasleitung (18, 54, 58) ein Katalysator mit einer Oxidationsfunktion angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) mit einer Abgasrückführvorrichtung (22, 23, 24) zum Zurückführen des aus der Verbrennungskammer (5) abgegebenen Abgases in eine Motoransaugleitung (8) ausgestattet ist und dass das inaktive Gas vorwiegend aus zurückgeführtem Abgas besteht.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführungsrate während des ersten Verbrennungsmodus etwa 55 % oder mehr beträgt.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbrennungsmodus an einer Niederlastseite eines Betriebsbereichs des Motors (1) und dass der zweite Verbrennungsmodus an einer Hochlastseite durchgeführt wird.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Motoransaugleitung (47) ein Drosselventil (16) angeordnet ist und dass ein nach dem Drosselventil in der Ansaugleitung (47) erzeugter Unterdruck einem Bremskraftverstärker (80) zugeleitet wird.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsgrad des Drosselventils (16) verringert wird, wenn der dem Bremskraftverstärker (80) zugeleitete Unterdruck einen zuvor eingestellten Unterdruck unterschreitet.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zuvor eingestellte Unterdruck erhöht wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 9, soweit sich dieser auf Anspruch 6 bezieht, dadurch gekennzeichnet, dass: das inaktive Gas aus zurückgeführtem Abgas besteht, welches nach dem Drosselventil (16) in die Ansaugleitung (47) eingeleitet wird; die Abgasrückführvorrichtung ein Abgasrückführ-Steuerventil (23) zum Steuern einer Zuführungsrate des zurückgeführten Abgases umfasst; wobei das zurückgeführte Abgas nach dem Drosselventil (16) in die Ansaugleitung (47) eingeleitet wird; und zu allererst ein Öffnungsgrad des Drosselventils (16) verringert wird, wenn der dem Bremskraftverstärker (80) zugeführte Unterdruck den zuvor eingestellten Unterdruck unterschreitet, und dann ein Öffnungsgrad des Abgasrückführ-Steuerventils (23) verringert wird, wenn der dem Bremskraftverstärker (80) zugeführte Unterdruck den zuvor eingestellten Unterdruck immer noch unterschreitet.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt verzögert wird, wenn der Öffnungsgrad des Abgasrückführ-Steuerventils (23) verringert wurde.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad des Dros selventils (16) so lange verringert wird, bis das Luftkraftstoffverhältnis einen vorgegebenen Wert erreicht.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (50, 55) mindestens aus einem Oxidationskatalysator, einem Dreiwegekatalysator oder einem NOx-Absorber besteht.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzventil (6) in der Verbrennungskammer (5) angeordnet ist.