DE69931301T2

DE69931301T2 - Steuerung für fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE69931301T2
Application number: DE69931301T
Authority: DE
Inventors: Masayuki Tomita; Kimiyoshi Yokohama-shi Nishizawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: JP3414303B2; DE69931301D1; EP0943793A3; JPH11324765A; US6340014B1; EP0943793B1; EP0943793A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Motorsystem, das einen Funkenzündungs-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung umfasst, und auf ein Motorsteuerungsverfahren zur Steuerung eines Funkenzündungs-Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung.
Seit einiger Zeit ist die Technik der direkten Zylindereinspritzung in einem Funkenzündungsmotor in der Entwicklung, um die Kraftstoffeffizienz- und Emissionssteuerung beim direkten Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer (oder jede Brennkammer) zu verbessern. Ein Steuerungssystem für solch einen Typ bewirkt normalerweise die Verbrennung eines homogenen Luft-Kraftstoff-Gemischs, das gleichmäßig in der ganzen Brennkammer durch Kraftstoffeinspritzung beim Einlasshub verteilt wird. In einem vorgegebenen Motorbetriebsbereich (wie etwa einem Bereich von geringen Geschwindigkeiten und geringen Belastungen) erzielt das Steuerungssystem übermäßig magere Verbrennung, indem durch Kraftstoffeinspritzung beim Verdichtungshub ein zündfähiges Schichtladungsgemisch nahe um die Zündkerze herum erzeugt wird.
Japanische vorläufige (Kokai) Patentveröffentlichungsnummern 62(1987)-191622 und 2(1990)-169834 legen Verbrennungsmotoren eines solchen Typs offen. Japanische vorläufige (Kokai) Patentveröffentlichungsnummern 8(1996)-296485 und 8(1996)-100638 legen darüber hinaus ähnliche Technologien zur Aktivierung eines Abgaskatalysators offen.
Das Steuerungssystem der oben genannten japanischen Patentveröffentlichung 8(1996)-296485 ist nach einer Auslegung so angeordnet, dass eine zusätzliche Menge an Kraftstoff in eine Brennkammer gespritzt wird während einer Zeitspanne, in der eine Auslassöffnung beim Auslasshub offen ist, so dass viel von dem zusätzlichen Kraftstoff unverbrannt zurückbleibt und dem Abgaskatalysator zugeführt wird, um die Verbrennung des unverbrannten Kraftstoffs voranzutreiben und die Temperatur in dem Abgaskatalysator zu erhöhen. Jedoch setzt dieses Verfahren die Reaktion des unverbrannten Kraftstoffs auf den Katalysator voraus, so dass dieses System in einem Zustand, in dem der Katalysator überhaupt nicht aktiv ist, nicht zufriedenstellend effektiv ist. Darüber hinaus verursacht die Verringerung der Zeit von einem Start der Aktivierung bis zur Beendigung der Aktivierung eine Verminderung der Emissionssteuerleistung (besonders HC-Emission in die Atmosphäre) während der Steuerung.
Das Steuersystem der oben genannten japanischen Patentveröffentlichung 8(1996)-100638 ist so angeordnet, dass zusätzlicher Kraftstoff in die Brennkammer zu einem früheren Zeitpunkt oder in einem Zwischenstadium des Ausdehnungshubs eingespritzt wird. Durch Flammenausbreitung wird der zusätzliche Kraftstoff gezündet und verbrannt, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Durch Erhöhung der Abgastemperatur kann dieses System die Temperatur des Abgaskatalysators erhöhen, unabhängig davon, ob der Abgaskatalysator aktiviert ist oder nicht. Wenn jedoch die Temperatur in der Brennkammer zu niedrig ist, um Verdampfung von flüssigem Kraftstoff voranzutreiben, etwa in einem Zeitraum unmittelbar nach einem Start des Motors, wird ein Teil des zusätzlichen Kraftstoffs wahrscheinlich unverbrannt zurückbleiben und in die Atmosphäre austreten.
Veröffentlichung AT 1922 U2 (AVL LIST GMBH) legt einen Funkenzündungsmotor mit Direkteinspritzung offen, der in einem stöchiometrischen Schichtladungsmodus während des Starts und des Aufwärmens betrieben wird und ansonsten in einem gleichmäßigen Ladungs-Funkenzündungs-Modus.
In der Veröffentlichung EP 0 856 655 A2 , welche nicht vorveröffentlicht wurde, aber eine vorhergehende Priorität aufweist, wurde ein Direkteinspritzungsmotor vorgeschlagen, der eine Zündkerze umfasst, die in eine Brennkammer hineinragt, eine Einspritzeinrichtung, um einen Kraftstoff direkt in die Brennkammer zu spritzen, einen Katalysator, der in einem Abgaskanal zur Reinigung eines Abgases bereitgestellt wird und eine Temperaturzustands-Beurteilungseinrichtung zur Beurteilung eines Temperaturzustands des Katalysators. Der Motor ist mit einer Kraftstoffzufuhreinrichtung ausgestattet, um durch Mittel der Einspritzeinrichtung ein kraftstoffreiches Brenngasgemisch um die Zündkerze herum zu bilden, das gleich ist wie oder fetter ist als ein Brenngasgemisch, das ein theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufweist, und ein kraftstoffarmes Brenngasgemisch, das magerer ist als das Brenngasgemisch, welches das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Bereich aufweist, das den Bereich des kraftstoffreichen Brenngasgemischs umgibt, wenn die Temperatur des Katalysators niedriger ist als eine Aktivierungstemperatur, basierend auf der Beurteilung der Temperaturzustands-Beurteilungseinrichtung.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Motorsystem bereitzustellen, das einen Funkenzündungs-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung umfasst, sowie ein Motorsteuerverfahren zur Steuerung eines Funkenzündungs-Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, wobei Aktivierung einer katalytischen Emissionssteuervorrichtung zur Abgasreinigung gefördert und HC-Emission während der Aktivierung vermindert wird.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Ziel durch ein Motorsystem erreicht, das die Eigenschaften des unabhängigen Anspruchs 1 aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Ziel ebenso durch ein Motorsystem erreicht, das die Eigenschaften des unabhängigen Anspruchs 21 aufweist.
Nach einem Verfahrensaspekt der vorliegenden Erfindung wird das Ziel ebenfalls erreicht durch ein Motorsteuerverfahren zur Steuerung eines Funkenzündungs-Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, der die Eigenschaften des unabhängigen Anspruchs 22 aufweist.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung mittels bevorzugter Ausführungsformen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen illustriert und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht, die ein System eines Motors nach Art der direkten Zylindereinspritzung und eine Motorsteuerung nach einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren nach der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Aktivierungsprüfung zeigt, das durch die Steuereinrichtung von 1 erzeugt wird.
4 ist ein Zeitdiagramm zur Darstellung der Aktivierungsprüfung.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Kolbentemperaturprüfung zeigt, ausgeführt durch die Steuervorrichtung von 1.
6A ist ein Zeitdiagramm zur Darstellung der Kolbentemperaturprüfung von 5.
6B und 6C sind Grafiken, welche die Parameter zur Bestimmung einer Pseudo-Motorkühlmittel-Temperatur zeigen, die bei der Kolbentemperaturprüfung von 5 verwendet wird.
7A und 7B sind schematische Ansichten zur Veranschaulichung von jeweils direkter Zylinder-Kraftstoffeinspritzung beim Verdichtungshub und direkter Zylinder-Kraftstoffeinspritzung beim Einlasshub.
8 ist eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus, der durch das System von 1 erzielt wurde, indem in einer Brennkammer ein Bereich mit relativ fett konzentriertem Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem Hintergrundbereich mit relativ magerem Luft-Kraftstoff-Gemisch-Hintergrundbereich erzeugt wurde.
9 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung eines Divisionsverhältnisses Ksp, das durch die Steuereinrichtung von 1 bestimmt wurde, um die Anteile der Einlasshub-Kraftstoffeinspritzung und der Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung zu bestimmen.
10A ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Zeitpunkte der Einlasshub-Kraftstoffeinspritzung und der Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung, die durch das System von 1 ausgeführt werden, sowie des Zündzeitpunkts.
10B und 10C sind Grafiken von Karten, die von dem System von 1 verwendet werden, um die Zeitpunkte der Einlasshub-Kraftstoffeinspritzung und der Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung zu bestimmen.
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für das System von 1 zeigt, um Impulsbreite und -zeitpunkte der Einlasshub-Kraftstoffeinspritzung und der Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung zu bestimmen.
12 ist ein Flussdiagramm, das ein Zündzeitpunkts-Steuerverfahren zeigt, das durch ein System nach einer zweiten Ausführungsform ausgeführt wird.
13 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren für ein System nach einer dritten Ausführungsform zeigt, um eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnisses (Lambda-Steuerung) auszuführen.
14 ist eine schematische Ansicht, die ein System eines ersten praktischen Beispiels nach einer vierten Ausführungsform zeigt.
15 ist eine schematische Ansicht, die ein System eines zweiten praktischen Beispiels nach der vierten Ausführungsform zeigt.
16A und 16B sind schematische Ansichten zur Veranschaulichung der Einlasshub-Kraftstoffeinspritzung in die jeweiligen Systeme von 14 und 15.
17 ist ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens nach der vierten Ausführungsform.
18 ist ein Flussdiagramm, das eine vollständige Explosionsprüfung zeigt, die durch die Steuereinrichtung nach der vierten Ausführungsform ausgeführt wird.
19 ist ein Zeitdiagramm, das den Wechsel zwischen dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus und einem normalen Verbrennungsmodus nach der vierten Ausführungsform und Steuerung einer Ventilüberschneidung nach einer fünften Ausführungsform veranschaulicht.
20 ist ein Flussdiagramm, das ein Ventilüberschneidungs-Steuerverfahren für das System nach der fünften Ausführungsform zeigt.
21 ist ein Zeitdiagramm, das eine Ventilüberschneidungs-Steuerung in einem ersten Beispiel nach der fünften Ausführungsform veranschaulicht (in der Ausführung als variabler Phasenwinkel).
22 ist ein Zeitdiagramm, das die Ventilüberschneidungssteuerung in einem zweiten Beispiel nach der fünften Ausführungsform veranschaulicht (in der Ausführung als variabler Auslösewinkel).
23 ist eine schematische Ansicht, die ein Motorsystem zeigt, das mit einem AGR-System (EGR = exhaust gas recirculation = Abgasrückführsystem) nach einer Variation der fünften Ausführungsform ausgerüstet ist.
24 ist eine schematische Ansicht, die einen Motor zeigt, der mit einem Wirbelventil ausgerüstet ist, das in den Ausführungsformen verwendet werden kann.
25 und 26 sind Zeitdiagramme, die das Verhalten der Abgastemperatur und der Zusammensetzung des Abgasgemischs in der stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennung nach der vorliegenden Unterrichtung veranschaulichen.
1 zeigt ein Motorsystem nach einer ersten Ausführungsform. Dieses System ist ein Steuersystem, das einen Motor 1 als einen Hauptbestandteil eines gesteuerten Systems und eine Motorsteuereinrichtung umfasst, die eine Steuereinheit 50 als eine Haupteinheit umfasst.
Der Motor 1 ist ein Funkenzündungs-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung.
Ein Einlasssystem für den Motor 1 umfasst einen Einlasskanal 2. Der Einlasskanal 2 weist darin ein Luftströmungs-Messgerät 3 und ein Drosselventil 4 auf. Das Luftströmungs-Messgerät 3 nimmt eine Einlass-Luftströmungsmenge Qa wahr. Das Drosselventil 4 steuert die Einlass-Luftströmungsmenge Qa.
Ein Kraftstoffsystem umfasst Kraftstoffeinspritzventile 5, jedes für einen dazugehörigen Zylinder des Motors 1. Das Einspritzventil 5 eines jeden Zylinders spritzt Kraftstoff direkt in die Brennkammer, gesteuert durch ein Steuerimpulssignal, das durch die Steuereinheit 50 (das heißt, die Haupteinheit der Motorsteuereinrichtung) bereitgestellt wird. Das Kraftstoffsystem weist darüber hinaus eine Kraftstoffpumpe (nicht gezeigt) auf, um den Kraftstoff unter Druck zuzuführen, und einen Druckregulator (nicht gezeigt) auf, um den Druck des Kraftstoffs, der den Kraftstoffventilen 5 zugeführt wird, auf einem gesteuerten Grad zu regulieren. Das Kraftstoffsystem dieses Beispiels ist ein Kraftstoffeinsspritzsystem.
Eine Zündkerze 6 wird für jeden Zylinder bereitgestellt. Die Zündkerze 6 eines jeden Zylinders zündet das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer als Reaktion auf ein Zündsteuersignal, das von der Steuereinheit 50 gesendet wird.
Ein Auslasssystem umfasst einen Auslasskanal 7. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 8 wird in dem Auslasskanal 7 bereitgestellt. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 8 erkennt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgasgemischs und folglich das Luft-Kraftstoff- Verhältnis des Einlassgasgemischs, indem ein Gehalt einer vorgegebenen Substanz wie etwa Sauerstoff in dem Abgasgemisch erkannt wird. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor kann ein Sauerstoff-Sensor sein, der ein Ausgangssignal erzeugt, das fette Seite oder magere Seiten anzeigt, oder kann ein weit reichender Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor sein, der fähig ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis linear über einen breiten Bereich zu erkennen.
Eine Abgasemissions-Steuervorrichtung 9 zur Reinigung der Abgasemission ist in dem Auslasskanal 7 an einer Position an der abwärts strömenden Seite des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 8 angeordnet. Die Abgasemissions-Steuervorrichtung 9 dieses Beispiels ist ein Abgaskatalysator, der einen Drei-Wege-Katalysator verwenden kann, der fähig ist, CO und HC zu oxidieren und NOx in dem Abgasgemisch wirksam auf das oder nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis {λ=1, A/F (ein Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff) ≈ 14,7} zu reduzieren, und/oder einen oxidierenden Katalysator, der fähig ist, CO und HC zu oxidieren.
Ein nachgeordneter Sauerstoffsensor 10 ist in dem Auslasskanal 7 an der abwärts strömenden Seite des Abgaskatalysators 9 angeordnet. Der abwärtsstromseitige Sauerstoffsensor 10 erkennt den Sauerstoffgehalt des Abgasgemischs und erzeugt ein Sensorausgangssignal, das Abweichungen von fetter Seite und magerer Seite anzeigt.
Das Motorsystem des in 1 gezeigten Beispiels verwendet ein so genanntes duellierendes Luft-Kraftstoff-Sensorsystem, das eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnisses in Übereinstimmung mit dem Ausstoß des aufwärtsstromseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 8 erzeugt und das die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnisses in Übereinstimmung mit dem Ausstoß des nachgeordneten Sauerstoffsensors 10 verändert, um Steuerfehler aufgrund eines Leistungsverlusts des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 8 oder dergleichen zu vermindern. Es ist jedoch optional, den nachgeordneten Sauerstoffsensor 10 wegzulassen, wenn die einfache Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückführung ohne Veränderung ausreicht. Es ist darüber hinaus optional, sowohl den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 8 und den nachgeordneten Sauerstoffsensor 10 wegzulassen, wenn die Rückführsteuerung nicht benötigt wird.
In diesem Beispiel ist darüber hinaus ein Kurbelwinkelsensor 11 bereitgestellt. Die Steuereinheit 50 gibt die Motordrehzahl-Geschwindigkeit Ne vor, indem sie Impulse einer Einheit an Kurbelwinkelsignalen zählt, die von dem Kurbelwinkelsensor 11 in Synchro nismus mit der Motordrehzahl erzeugt werden, um die Zählung über ein vorgegebenes Zeitintervall festzulegen, oder durch Messen einer Dauer eines Referenz-Kurbelwinkelsignals, das durch den Kurbelwinkelsensor 11 erzeugt wird.
Ein Wassertemperatursensor 12 ist angeordnet, um die Temperatur TW des Kühlwassers in einem Wassermantel des Motors 1 zu ermitteln.
Ein Drosselsensor 13 ermittelt einen Öffnungsgrad des Drosselventils 4. (Der Drosselsensor 13 kann als ein Leerlaufschalter dienen.) In diesem Beispiel ist eine Drosselsteuereinheit 14 zur Veränderung der Drosselöffnung des Drosselventils 4 mit einem Antrieb wie etwa einem DC-Motor (Gleichstrommotor) bereitgestellt.
Die Drosselsteuereinheit 14 aus diesem Beispiel ist fähig, die Drosselöffnung des Drosselventils 4 als Reaktion auf ein Antriebssignal elektronisch zu steuern, das von der Steuereinheit 50 gesendet wird, um so einen Drehkraftbedarf in Übereinstimmung mit einer Beschleunigungsvorgabe durch einen Fahrer zu ermitteln, wie etwa ein Ausmaß an Druck auf ein Gaspedal.
Die Steuereinheit 50 erhält Ausgabesignale von diesen Sensoren und anderen Eingabegeräten und sammelt dabei Eingabeinformationen zu Fahrzeugbetriebsbedingungen. Die Steuereinheit 50 aus diesem Beispiel enthält als einen Hauptbestandteil einen Mikrocomputer, der CPU, ROM, RAM, Analog-/Digitalumwandler und Eingabe-/Ausgabeschnittstellen aufweist. In Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen steuert die Steuereinheit 50 die Drosselöffnung des Drosselventils 4 durch Steuerung der Drosselsteuereinheit 14, steuert die Bereitstellung der Kraftstoffmenge (die Kraftstoffeinspritzmenge) durch Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils 5 und steuert den Zündzeitpunkt der Zündkerzen 6.
Die Steuereinheit 50 aus diesem Beispiel steuert darüber hinaus den Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt, um in Übereinstimmung mit den Fahrzeugbetriebsbedingungen einen Verbrennungsmodus zwischen einem Schichtladungs-Verbrennungsmodus und einem homogenen Ladungsverbrennungsmodus umzuschalten. In einem vorgegebenen Betriebsbereich, wie etwa in niedrigen oder mittleren Ladungsbereichen, betreibt die Steuereinheit 50 den Motor in dem Schichtladungs-Verbrennungsmodus, bei dem Kraftstoff beim Verdichtungshub direkt in die Brennkammer gespritzt wird, um so ein schichtgeladenes, verbrennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch nahe um die Zündkerze 6 herum zu erzeugen.
In einem weiteren Betriebsbereich wie etwa einem hohen Ladungsbereich über einer vorgegebenen Motorladung, wird der Motor in dem homogenen Verbrennungsmodus betrieben. In dem homogenen Verbrennungsmodus wird Kraftstoff beim Einlasshub eingespritzt, um so ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen, das im Wesentlichen überall in der Brennkammer homogen ist.
Die Steuereinheit 50 nach dieser Ausführungsform erhält verschiedene Eingangssignale von einem Fahrzeugschlüsselschalter 16 und den Sensoren und führt ein Steuerverfahren aus, wie es in 2 gezeigt ist, um HC-Emission während eines Zeitraums von einem Motorstart bis zur Aktivierung des Abgaskatalysators 9 zu vermindern und die Aktivierung des Abgaskatalysators 9 voranzutreiben. Das Steuersystem dieses Beispiels ist konfiguriert, um den Motor 1 in einem ersten Schichtladungs-Verbrennungsmodus (wie etwa einem mageren Schichtladungs-Verbrennungsmodus) und mindestens einem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus zu betreiben. In dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus ist in einem veranschaulichten praktischen Beispiel das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer bei einem annähernd stöchiometrischen Verhältnis eingestellt. Deshalb wird der zweite Schichtladungs-Verbrennungsmodus auch als ein stöchiometrischer Schichtladungs-Verbrennungsmodus bezeichnet.
In Schritt S1 von 2 prüft die Steuereinheit 50, ob ein Zündsignal des Schlüsselschalters 16 einschaltet (zum Beispiel, ob ein Schlüssel auf eine Position „Zündung ein" gedreht wird). Dann geht die Steuereinheit 50 in dem Fall von JA weiter zu einem Schritt S2 und beendet diesen Ablauf in dem Fall von NEIN.
Bei dem Schritt S2 prüft die Steuereinheit 50, ob ein Startsignal des Schlüsselschalters 16 einschaltet (zum Beispiel ob der Schlüssel auf eine Startposition gedreht wird). Auf diese Weise kontrolliert die Steuereinheit 50 das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Auftrags zum Anlassen durch einen Startmotor (nicht gezeigt).
In dem Fall von JA entscheidet die Steuereinheit 50, dass es einen Anlassauftrag gibt und geht weiter zu Schritt S3. In dem Fall von NEIN entscheidet die Steuereinheit 50, dass es keinen Anlassauftrag gibt, und kehrt zu Schritt S1 zurück.
In Schritt S3 startet die Steuereinheit 50 den Betrieb des Startmotors und lässt dadurch den Motor 1 an.
In einem Schritt S4 befiehlt die Steuereinheit 50 dem Kraftstoffeinspritzsystem, die Kraftstoffeinspritzung zum Starten auszuführen (Direkteinspritzung bim Einlasshub, wie in 7B gezeigt) und betreibt den Motor 1 (im homogenen Verbrennungsmodus).
Bei einem nächsten Schritt S5 prüft die Steuereinheit 50, ob der Abgaskatalysator 9 noch in einem inaktiven Zustand ist. In diesem Beispiel führt die Steuereinheit 50 diese Katalysator-Aktivierungsprüfung durch einen Ablauf wie in 3 gezeigt aus. Es ist möglich, die Aktivität oder Inaktivität des Abgaskatalysators 9 zu prüfen, indem die Aktivität oder Inaktivität des nachgeordneten Sauerstoffsensors 10 (bei einem Schritt S12) geprüft wird wie in dem Flussdiagramm von 3. Das heißt, die Steuereinheit 50 kann die Aktivität oder Nichtaktivität des Abgaskatalysators 9 durch Überwachung des Verhaltens des Ausgabesignals des nachgeordneten Sauerstoffsensors 10 beurteilen, wie in 4 gezeigt.
Des Weiteren ist es möglich, den aktiven oder inaktiven Zustand des Abgaskatalysators 9 zu beurteilen in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Bewertung der Temperatur (oder der Auslasstemperatur) des Abgaskatalysators 9, basierend auf der Erkennung der Motorkühlwasser-Temperatur TW oder der Öltemperatur, oder alternativ in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Messung der Temperatur (oder der Auslasstemperatur) des Abgaskatalysators 9 mit einem Temperatursensor.
Wenn der Abgaskatalysator 9 nicht in dem aktiven Zustand ist und deshalb die Antwort des Schritts S5 JA ist, dann geht die Steuereinheit 50 weiter zu einem Schritt S6.
Wenn der Abgaskatalysator 9 nicht dem aktiven Zustand ist und deshalb die Antwort des Schritts S5 NEIN ist, dann geht die Steuereinheit 50 zu einem Schritt S9 weiter und bricht den Ablauf von 2 ab unter der Annahme, dass dort kein Bedarf für die Katalysatoraktivierungs-Steuerung ist, um die Aktivierung des Abgaskatalysators 9 voranzutreiben. In Schritt S9 steuert die Steuereinheit 50 den Motor 1 in einem normalen Verbrennungssteuermodus, um die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffs und weitere Motorleistung in Übereinstimmung mit Betriebsbedingungen zu verbessern.
In Schritt S6 prüft die Steuereinheit 50, ob die Temperatur des Kolbens 15 (insbesondere eine Flächentemperatur in einer Mulde 15A, die in dem Kolbenboden gebildet ist, wie in 7A und 7B gezeigt) gleich wie oder höher als eine vorgegebene Temperatur ist (eine Temperatur, die einen Wechsel zu stöchiometrischer Schichtladungsverbrennung erlaubt). Der entscheidende Schritt S6 kann durch direktes Erfühlen der Kolbentemperatur mit einem Thermoelement ausgeführt werden, das in einem vorgegebenen Abschnitt (wie etwa dem Kolbenboden) des Kolbens 15 eingelassen ist. Alternativ kann das Steuersystem die Kolbentemperatur von der erfühlten Kühlwassertemperatur TW oder der Öltemperatur einschätzen und die Antwort zu Schritt S6 in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Einschätzung bestimmen.
5 zeigt ein Verfahren für eine Kolbentemperaturprüfung basierend auf einer Pseudo-Wassertemperatur TWF, die mit der Kolbenbodentemperatur korreliert. Die Steuereinheit 50 bestimmt die Pseudo-Wassertemperatur TWF durch Einschätzung, wie in 6 gezeigt und überwacht, ob die Pseudo-Wassertemperatur TWF gleich wie oder höher als eine vorgegebene Temperatur TWF1 ist (Temperatur, die eine stöchiometrische Schichtladungsverbrennung erlaubt).
Wenn die Antwort in Schritt S6 JA ist, entscheidet die Steuereinheit 50, dass die Ausführung der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung zum Vorantreiben der Katalysatoraktivierung die Zündfähigkeit, Brennbarkeit und demzufolge Motorstabilität (Fahrbarkeit) nicht vermindern würde, und geht weiter zu einem Schritt S7.
Wenn die Antwort in Schritt S6 NEIN ist, entscheidet die Steuereinheit 50, dass dort die Möglichkeit besteht, dass die Kolbenbodentemperatur zu niedrig ist, um zufriedenstellend Zerstäubung und Verdampfung des Schichtladungs-Luft-Kraftstoff-Gemischs voranzutreiben, und dass Ausführung der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung die Zündfähigkeit, Brennbarkeit und Motorstabilität (Fahrbarkeit) verringern würde, und kehrt zu dem Schritt S4 zurück, um den Wechsel zu der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung zu verhindern und stattdessen die Direkteinspritzung beim Einlasshub fortzuführen (von der homogenen Ladungsverbrennung).
In Schritt S7 erlaubt die Steuereinheit 50 den Wechsel zu der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung und befiehlt dem Antriebssystem einschließlich dem Kraftstoffsystem, die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung auszuführen, weil sowohl die Bedingung des Abgaskatalysators 9 zur Anforderung des Vorantreibens der Katalysatoraktivierung als auch die Bedingung der Kolbenbodentemperatur erfüllt sind.
In dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Gesamtheit darauf festgelegt, in einem gewünschten Verhältnis zu sein, wie etwa ein Verhältnis, das ungefähr gleich zu einem stöchiometrischen Verhältnis ist (theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis), und die Kraftstoffeinspritzmenge pro Verbrennungszyklus wird auf einen Wert festgelegt, der dem gewünschten Verhältnis entspricht. In dem in 10A gezeigten Beispiel wird die festgelegte Menge an Kraftstoff in zwei Anteilen eingespritzt, zuerst beim Einlasshub und dann beim Verdichtungshub.
In diesem Beispiel ist die gesamte Kraftstoffmenge pro Zyklus (nach Gewicht) erforderlich, um die möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffs mit der Einlassluftmenge der Luft pro Verbrennungszyklus zu erreichen, und ein ungefähr stöchiometrisches Luft-Kraftstoff Verhältnis wird geteilt in einen ersten Anteil von etwa 50 % bis etwa 90 %, der für die Einspritzung beim Einlasshub verwendet wird, und einen zweiten Anteil von etwa 50 % bis 10 % für die Einspritzung beim Verdichtungshub.
Der erste Anteil (etwa 50 % ~ etwa 90 %) der gesamten Kraftstoffgewichtsmenge pro Zyklus wird beim Einlasshub in die Brennkammer gespritzt, so dass ein relativ mageres (magerer als stöchiometrisch) homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch überall in der Gesamtheit der Brennkammer erzeugt wird. Diese Einspritzung beim Einlasshub ist in 7B dargestellt.
Der verbleibende Anteil von etwa 50 % bis etwa 10 % wird beim Verdichtungshub eingespritzt, um so ein relativ fettes (fetter als stöchiometrisch) Schichtladungs-Luft-Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze 6 herum zu erzeugen, wie in 7A gezeigt.
Dann erfolgt die Verbrennung in der Brennkammer in dem Stadium, in dem der fettere Bereich um die Zündkerze 6 herum in dem magereren Hintergrund gebildet wird, wie in 8 gezeigt.
In diesem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus können die Portionen der ersten und zweiten Anteile so bestimmt werden, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Hintergrundgemischs, das magerer als stöchiometrisch ist und in der Brennkammer während des Einlasshubs erzeugt wird, 16 ~ 28 ist, und dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs, das fetter als stöchiometrisch ist und um die Zündkerze 6 herum durch die Einspritzung beim Verdichtungshub erzeugt wird, 9 ~ 13 ist. Solange die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse der Gemischbereiche jeweils innerhalb dieser Spannen festgelegt sind, ist es optional, das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer auf einem Wert zu halten (zum Beispiel innerhalb einer Spanne von 13,8 ~ 18), der leicht von dem theoretischen Verhältnis abweicht. Die durchschnittliche Verhältnisspanne von 13,8 ~ 18 ist wirksam, um die Balance zu halten zwischen der Menge des Produkts (CO) aus unvollständiger Verbrennung und der Menge an Sauerstoff, die nach der Hauptverbrennung zurückbleibt, um die Temperatur des Abgaskatalysators wirksam zu erhöhen. Besonders wenn das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis festgelegt wird, im Wesentlichen gleich dem stöchiometrischen Verhältnis zu sein, sind die Mengen an CO und zurückbleibendem Sauerstoff ungefähr gleichwertig, und die Temperatur des Abgaskatalysators wird sehr wirksam erhöht.
Durch die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung kann das Steuersystem die Abgastemperatur im Vergleich zu der homogenen stöchiometrischen Verbrennung erhöhen, und gleichzeitig kann das Steuersystem die Menge an unverbranntem HC vermindern, das von der Brennkammer zu dem Auslasskanal (wie in 25 und 26 gezeigt) abgesetzt wird. Die Verhältnisspanne von 9 ~ 13 ist wirksam bei der Erhöhung der Abgastemperatur und vermindert die Emission unverbrannten HCs bei verschiedenen Motoren, unabhängig vom Motortyp und Hubraum.
In diesem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus erzeugt das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter als stöchiometrisch ist, CO um die Zündkerze herum aufgrund von unvollständiger Verbrennung während eines Prozesses der Hauptverbrennung (Verbrennung durch Funkenzündung und Flammenausbreitung), und das auf diese Weise erzeugte Kohlenmonoxid bleibt in der Brennkammer nach der Hauptverbrennung. Auf der anderen Seite verbleibt Sauerstoff in dem mageren Hintergrundbereich um den Gemischbereich herum, der fetter als stöchiometrisch ist, sogar nach der Hauptverbrennung. Das verbleibende Kohlenmonoxid und der verbleibende Sauerstoff werden durch den Gasfluss innerhalb des Zylinders gemischt und erneut verbrannt, so dass die Abgastemperatur hoch wird.
Das Produkt (CO) der unvollständigen Verbrennung, das in dem Prozess der Hauptverbrennung erzeugt wird, ist am Ende der Hauptverbrennung bereits heiß. Deshalb ist das Produkt (CO) der unvollständigen Verbrennung leicht verbrennbar, sogar wenn die Temperatur in der Brennkammer noch niedrig ist. Das Kohlenmonoxid, das durch die unvollständige Verbrennung erzeugt wird, wird sehr wahrscheinlich nahezu vollständig einer erneuten Verbrennung ausgesetzt sein, entweder in der Brennkammer oder dem Auslasskanalbereich an der aufströmenden Seite des Abgaskatalysators. Im Vergleich mit der homogenen Verbrennung, bei der die Hauptverbrennung eine geringere Menge an CO erzeugt, kann die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung die Menge an CO erhöhen, die in den Abgaskatalysator strömt. Jedoch kann der Abgaskatalysator die Umwandlung von CO bei einer niedrigeren Temperatur starten als die Umwandlung von HC, so dass der Einfluss auf die Abgasemission relativ klein ist.
Darüber hinaus kann dieses Steuersystem stabile Zündung sicherstellen und stabile Erzeugung von CO durch Verwendung des fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs, das der Zündfähigkeit eines stöchiometrischen Gemischs überlegen ist und die Zeit zur Zerstäubung von eingespritztem Kraftstoff ausreichend verlängert. Mit dem gut zerstäubten Kraftstoff kann dieses Steuersystem die Erzeugung von unverbranntem HC in dem Bereich des fetten Gemischs reduzieren.
Der Bereich des mageren Hintergrundgemischs weist ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf, das Flammenausbreitung ermöglicht. Deshalb erzeugt dieses System kein unverbranntes HC an der Schnittstelle zwischen dem Bereich mit fetter Konzentration und dem mageren Hintergrundbereich. Vollständige Ausbreitung der Flamme in der Brennkammer verringert einen Niedrigtemperaturbereich (Abschreckbereich) auf ein ausreichend geringes Maß wie in der homogenen Verbrennung. Während des Prozesses der Zerstäubung findet gleichzeitig die Ausbreitung statt und zielt darauf ab, den Rand des fetten Bereichs teilweise mager zu machen auf einen Grad, der Flammenausbreitung unterdrückt. Der magere Hintergrund, der zuvor durch die Einspritzung beim Verdichtungshub erzeugt wurde, fungiert als Schutz des Randes des fetten Bereichs gegen Vermagerung durch die Ausbreitung. Folglich kann das System die Menge an HC, die durch die Hauptverbrennung erzeugt wurde, auf einen Grad senken, der gleich dem Grad der homogenen Verbrennung ist, und darüber hinaus kann dieses System die Menge von HC, die in den Abgaskatalysator strömt, durch erneute Verbrennung von unverbranntem HC reduzieren, was gleichzeitig mit der erneuten Verbrennung von CO erfolgt. Der magere Hintergrundbereich dient dazu, einen Überschuss an Sauerstoff nach der Hauptverbrennung zurückzulassen. Am Ende der Hauptverbrennung ist der restliche Sauerstoff in dem mageren Bereich so heiß, dass die erneute Verbrennung von CO vorangetrieben wird.
25 und 26 veranschaulichen Auswirkungen der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung. In 25 und 26 ist die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung abgekürzt auf „stöch. Schichtlad.-Verbr." Und die homogene stöchiometrische Verbrennung auf „homo. stöch. Verbr.". Wie in 25 und 26 gezeigt, kann die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung die Menge an HC verringern, die durch Verbrennung erzeugt wurde, und die Menge an CO erhöhen. Folglich kann dieses System den Prozentsatz von CO in den Gasen innerhalb des Zylinders (verbranntes Gasgemisch) erhöhen und den Prozentsatz an HC verringern.
Auf diese Weise kann der stöchiometrische Schichtladungs-Verbrennungsmodus die Menge der HC-Emission während eines Aufwärmzeitraums von einem Start des Motors bis zur Aktivierung des Abgaskatalysators 9 verringern und maßgeblich die Aktivierung des Abgaskatalysators 9 vorantreiben im Vergleich zu der einfachen homogenen Verbrennung, der einfachen Schichtladungsverbrennung oder dem Verbrennungsmodus, der die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung zu oder nach einem späteren Stadium der Verbrennung einsetzt (zu oder nach dem Ausdehnungshub oder bei dem Auslasshub).
In einem Schritt S8 prüft die Steuereinheit 50, ob der Abgaskatalysator 9 aktiviert ist (der Aufwärmbetrieb ist beendet) oder nicht in der gleichen Weise wie der Schritt S5 (in dem Flussdiagramm von 3). Die Steuereinheit 50 geht weiter zu einem Schritt S9, wenn der Abgaskatalysator 9 in dem aktivierten Zustand ist und die Antwort des Schritts S8 JA ist. Wenn die Antwort von Schritt S8 NEIN ist, kehrt die Steuereinheit 50 zu dem Schritt S7 zurück und beendet dadurch die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung, bis der Abgaskatalysator 9 aktiviert wird.
Bei dem Schritt S9 wandelt die Steuereinheit 50 den Verbrennungssteuermodus in einen normalen Verbrennungsmodus um (wie etwa homogenen stöchiometrischen Verbrennungsmodus, homogenen mageren Verbrennungsmodus und mageren Schichtladungs-Verbrennungsmodus), um die gewünschte Emissionsleistung, Kraftstoffeffizienz oder Fahrbarkeit (wie etwa Ausgabeleistung und Stabilität) in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen zu erzielen und unterbricht dann das Programm von 2.
Auf diese Weise, durch Ausführung der stöchiometrischen Verbrennung während des Aufwärmprozesses, kann das Steuersystem nach dieser Ausführungsform die HC-Emission in die Atmosphäre während einer Zeitspanne vom Motorstart bis zur Aktivierung der katalytischen Emissionsteuervorrichtung 9 verringern und zur gleichen Zeit die Aktivierung der katalytischen Vorrichtung 9 vorantreiben (wie in 25 und 26 gezeigt).
In einem Motorbetriebszustand, der möglicherweise die Verbrennbarkeit der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung nachteilig beeinflussen kann (wie etwa der Zustand, in dem die Kolbenbodentemperatur niedriger ist als eine vorgegebene Temperatur), verhindert das Steuersystem aus diesem Beispiel Umwandlung zur stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung. Auf diese Weise kann das Steuersystem aus diesem Beispiel höhere Priorität auf die Motorstabilität geben (Motorfahrbarkeit) als auf schnelle Aktivierung des Abgaskatalysators 9. Wenn die Aktivierung des Abgaskatalysators 9 höhere Priorität erhalten soll, ist es möglich, diese Regelung wegzulassen (das heißt, durch Auslassen des Schritts S6 in dem Flussdiagramm von 2).
Das Steuersystem dieses Beispiels bricht die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung ab und startet einen kraftstoffeffizienten Verbrennungsmodus (wie etwa die magere Schichtladungsverbrennung, die homogene stöchiometrische Verbrennung und die magere homogene Verbrennung) unmittelbar nachdem der Abgaskatalysator 9 aktiv geworden ist, so dass das System die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffs verbessern kann.
3 zeigt den Ablauf der Aktivierungsprüfung für den Abgaskatalysator von Schritt S5, und 4 ist ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung dieser Aktivierungsprüfung für den Abgaskatalysator.
In einem Schritt S11 kontrolliert die Steuereinheit 50, ob der nachgeordnete Sauerstoffsensor 10 in einem nicht heizenden Modus ist, in dem der Heizbetrieb durch eine Heizvorrichtung nicht ausgeführt wird. Wenn die Antwort NEIN ist (das heißt, wenn die Heizvorrichtung in Heizbetrieb ist), bricht die Steuereinheit 50 den Ablauf von 3 ab, weil der Heizbetrieb so einflussreich ist, dass sich Fehler häufen bei der Aktivierungsprüfung des nachgeordneten Sauerstoffsensors 10 und der Aktivierungsprüfung des Abgaskatalysators 9. Wenn die Antwort des Schritts S11 JA ist (die Heizvorrichtung des abwärtsstromseitigen Sauerstoffsensors 10 ist nicht im Heizbetrieb), geht die Steuereinheit 50 weiter zu einem Schritt S12 unter der Annahme, dass die Aktivierungsprüfung des Sau erstoffsensors 10 und folglich die Aktivierungsprüfung des Abgaskatalysators 9 genau genug durchgeführt werden können.
Der Schritt S12 ist ein Schritt zur Prüfung, ob der nachgeordnete Sauerstoffsensor 10 in einem aktivierten Zustand ist oder nicht. In diesem Beispiel bestimmt die Steuereinheit 50, ob durch Überwachung der Ausgangsspannung des nachgeordneten Sauerstoffsensors 10 der nachgeordnete Sauerstoffsensor 10 aktiviert ist. Wie in 4 gezeigt, kann die Steuereinheit 50 durch Prüfung bestimmen, ob der nachgeordnete Sauerstoffsensor 10 in dem aktivierten Zustand ist, ob die Sauerstoffsensor-Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 10 gleich wird zu einem vorgegebenen Grad (V0 + dVR) eines Zustands, in welchem die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors zu einer ursprünglichen Spannung V0gleich gehalten wird.
Umgekehrt kann die Steuereinheit 50 prüfen, ob die Sauerstoffsensor-Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 10 gleich wird mit einem vorgegebenen Grad (V0 + dVL) der ursprünglichen Spannung V0, um die Aktivität oder Nichtaktivität des nachgeordneten Sauerstoffsensors 10 zu bestimmen. Darüber hinaus ist es möglich, die Anzahl der Fett-Mager-Umkehrungen der Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 10 zu überwachen und die Aktivität oder Nichtaktivität des Sauerstoffsensors 10 zu bestimmen, indem geprüft wird, ob die Anzahl der Fett-Mager-Umkehrungen gleich einer vorgegebenen Anzahl wird.
Von dem Schritt S12 geht die Steuereinheit 50 weiter zu einem Schritt S13, wenn die Antwort bei dem Schritt S12 JA ist. Wenn die Antwort NEIN ist, wiederholt die Steuereinheit 50 den Schritt S12, bis die Aktivität des Sauerstoffsensors 10 durch den Schritt S12 bestätigt wird.
In Schritt S13 folgert die Steuereinheit 50, dass der Abgaskatalysator 9 aktiviert wird. Diese Folgerung (oder dieser Rückschluss) basiert auf der Annahme, dass die Aktivierung des Sauerstoffsensors 10, der auf der nachgeordneten Seite des Abgaskatalysators 9 angeordnet ist, auf einen Anstieg der Abgastemperatur an der Auslassseite des Abgaskatalysators 9 zurückzuführen ist (durch Oxidationsreaktion).
Im nächsten Schritt S14 startet die Steuereinheit 50 eine Steuerung der Heizvorrichtung, um die Heizvorrichtung des nachgeordneten Sauerstoffsensors 10 anzutreiben (um die Temperatur des Sauerstoffsensors 10 auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten) und bricht dann den Ablauf von 3 ab.
Für die Prüfung der Kolbenbodentemperatur von Schritt S6 führt die Steuereinheit 50 aus diesem Beispiel den Ablauf von 5 in der folgenden Weise aus.
In einem Schritt S21 von 5 veranschlagt die Steuereinheit 50 nach einem Verfahren wie in 6A, 6B und 6C gezeigt, dass die Pseudo-Wassertemperatur TWF[t] (t ist eine Zeit, die verstreicht, nachdem das Zündsignal auf EIN schaltet) mit der Kolbenbodentemperatur korreliert und kontrolliert, ob die veranschlagte Pseudo-Wassertemperatur TWF[t] gleich ist wie oder höher ist als die vorgegebene Temperatur TWF1.
Wie in 6A gezeigt, startet die Pseudo-Wassertemperatur TWF von einer ursprünglichen Pseudo-Temperatur (Ursprungswert der Pseudo-Wassertemperatur) TWF0, die in Übereinstimmung ist mit einem ursprünglichen Wert TWe0 (Start-Wassertemperatur) der Motorkühlwasser-Temperatur beim Motorstart wie in 6B gezeigt, und steigt, um sich so der Motorkühlwasser-Temperatur TWe anzunähern, in einem Tempo mit Verzögerung erster Ordnung durch einen Wert per Zeiteinheit. Der Wert pro Zeiteinheit, mit dem die Pseudo-Wassertemperatur TWF in jeder Zeiteinheit steigt, ist gleich zu einem Verzögerungskorrekturfaktor Ktwf, der durch die Einlassluftmenge Qa bestimmt wird, wie in 6C gezeigt. TWF[t] = TWe[t] – (TWe[t] – TWF[t – ]) × (1 - Ktwf)
In dieser Gleichung ist TWF[10] = TWe[0] und t ist eine Zeit, die ab einer Einschaltbetätigung der Zündung (IGN/SW-ON) vergeht. In diesem Beispiel wird der ursprüngliche Wert TWF0 der Pseudo-Wassertemperatur in Übereinstimmung mit der Wassertemperatur TWe0 beim Motorstart bestimmt, indem eine Tabelle aufgeschlagen wird wie in 6B gezeigt, und der Verzögerungskorrekturfaktor Ktwf wird in Übereinstimmung mit der Einlassluftmenge bestimmt, indem eine Tabelle aufgeschlagen wird wie in 6C gezeigt. In dem in 6B gezeigten Beispiel steigt TWF0 gleich bleibend mit dem Ansteigen von TWe0. Der Verzögerungskorrekturfaktor Ktwf steigt gleich bleibend mit dem Ansteigen von Qa, und ganz speziell in dem in 6C gezeigten Beispiel steigt Ktwf geradlinig mit Qa.
Von dem Schritt S21 geht die Steuereinheit 50 weiter zu einem Schritt S22, wenn die Antwort in Schritt S21 JA ist (TWF[t] ≥ TWF1), und kehrt zurück zu dem Schritt S21, wenn die Artwort NEIN ist.
In Schritt S22 folgert die Steuereinheit 50, dass die Kolbenbodentemperatur gleich ist wie oder höher ist als die vorgegebene Temperatur und folglich heiß genug, um die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung zu ermöglichen, und beendet dann den Ablauf von 5.
In dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus wird der Kraftstoff durch eine erste Einspritzung während des Einlasshubs zugeführt und eine zweite Einspritzung während des Verdichtungshubs. In diesem Beispiel legt die Steuereinheit 50 die Kraftstoffeinspritzmenge und den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt für jede der ersten und zweiten Einspritzungen in der folgenden Weise fest.
Wenn die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung nicht ausgeführt wird, wird die Kraftstoffeinspritzmenge in der folgenden Weise bestimmt.
Eine Basisimpulsbreite zur Kraftstoffeinspritzung (entsprechend einer Basis-Kraftstoffeinspritzmenge) Tpt = c × Qa/Ne wird bestimmt durch die Einlassluftmenge Qa, die durch das Spannungssignal des Luftdurchfluss-Messgeräts 3 bestimmt wird, und der Motordrehzahl Ne, die bestimmt wird durch das Signal von dem Kurbelwinkelsensor 11 (wobei c eine Konstante ist). Die Basisimpulsbreite zur Kraftstoffeinspritzung Tpt wird durch eine Vielzahl von Korrekturfaktoren Kw, Kas, LAMD, Z usw. verändert, um eine wirksame Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite CTI zu bestimmen: CTI = Tpt × (1 + Kw + Kas + ...) × LAMD × Z + Ts
Bei den Korrekturfaktoren ist Kw ein Wassertemperatur-Korrekturfaktor Kw zur Kraftstoffanreicherung, um die Motorstabilität aufrechtzuerhalten, wenn die Motorkühlwasser-Temperatur niedrig ist, ist Kas ein Anreicherungs-Korrekturfaktor zum Motoranlassen und für einen Nach-dem-Start-Betrieb nach einem Motorstart, ist LAMD ein Korrekturfaktor für die Rückführung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und ist Z ein Korrekturfaktor für das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Ts ist eine Spannungskorrekturmenge. Durch Steigerung oder Verminderung des Rückführ-Korrekturfaktors LAMD in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch den Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor 8 an der vorgeschalteten Seite des Abgaskatalysators 9 entsprechend einem Steuergesetz, wie etwa einem Proportional-Integral-Steuergesetz (PI), korrigiert die Steuereinheit 50 die Basisimpulsbreite zur Kraftstoffeinspritzung Tpt und steuert das aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs für den Motor mit einem Rückführsteuerverfahren, um eine Abweichung des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von einem gewünschten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu verhindern. Wenn die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnisses nicht ausgeführt wird (zum Beispiel bei dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus), wird der Rückführ-Korrekturfaktor LAMD festgesetzt (oder festgelegt) auf einem vorgegebenen festgelegten Wert (zum Beispiel 1,0).
In dem Fall des stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus wird die wirksame Impulsbreite für die Kraftstoffeinspritzung CTI unterteilt in einen ersten Abschnitt CTIH = CTI × Ksp für die Einspritzung beim Einlasshub und einen zweiten Abschnitt CTIS = CTI × (1 – Ksp) für die Einspritzung beim Verdichtungshub (bei dem Ksp ein Divisionsverhältnis oder Anteilsverhältnis ist).
Das Divisionsverhältnis Ksp kann ein festgelegter Wert sein. Vorzugweise ist das Divisionsverhältnis jedoch eine Variable, die entsprechend einem Betriebszustand bestimmt wird. In diesem Beispiel ist das Divisionsverhältnis Ksp so bestimmt, dass die gesamte Kraftstoffmenge (nach Gewicht), die erforderlich ist, die vollständigste (im Wesentlichen stöchiometrische) Verbrennung des Kraftstoffs mit der Einlassluftmenge zu erzielen, geteilt wird in den ersten Anteil von etwa 50 % bis etwa 90 %, der für die Einspritzung beim Einlasshub verwendet wird, und den zweiten Anteil von etwa 50 % bis etwa 10 % für die Einspritzung beim Verdichtungshub.
Das Divisionsverhältnis Ksp kann so bestimmt werden, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Hintergrundgemischs, das magerer als stöchiometrisch ist und in der Brennkammer während des Einlasshubs erzeugt wird, 16 ~ 28 ist, und dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs, das fetter als stöchiometrisch ist und durch die Einspritzung beim Verdichtungshub um die Zündkerze 6 herum erzeugt wird, 9 ~ 13 ist.
Wenn der Verbrennungsmodus gewechselt wird zwischen dem stöchiometrischen Schichtladungsmodus und dem normalen Verbrennungsmodus (wie etwa dem homogenen stöchiometrischen Modus, dem homogenen mageren Modus und dem mageren Schichtladungsmodus) variiert die Steuereinheit 50 in diesem Beispiel das Divisionsver hältnis Ksp allmählich wie in 9 gezeigt, so dass das Steuersystem einen gleichmäßigen und allmählichen Verbrennungswechsel ohne einen unerwünschten abrupten Wechsel des Ausstoßes erzielen und die zufriedenstellende Fahrbarkeit sicherstellen kann. In dem Fall eines Wechsels von dem normalen Verbrennungsmodus zu dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus wird das Divisionsverhältnis Ksp von 1 auf Ksp0 in solch einer allmählichen Weise verringert, dass ein kleiner Wert dKsp bei jedem Zeiteinheitsintervall (zum Beispiel 10 ms) verringert wird nach einer Entscheidung, den stöchiometrischen Schichtladungsmodus zu erlauben. In dem Fall eines Wechsels von dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus zu dem normalen Verbrennungsmodus wird das Divisionsverhältnis Ksp von Ksp0 auf 1 in einer solch allmählichen Weise erhöht, dass der kleine Wert dKsp für jedes Zeiteinheitsintervall erhöht wird nach einer Entscheidung, den stöchiometrischen Schichtladungsmodus zu beenden.
In dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus bestimmt die Steuereinheit 50 einen Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt beim Einlasshub TITMH, gezeigt in 10A, entsprechend der Motorgeschwindigkeit Ne und der Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite beim Einlasshub CTIH (wie in einer A von 10B gezeigt), und einen Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt beim Verdichtungshub TITMS entsprechend der Motorgeschwindigkeit Ne und der Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite beim Verdichtungshub CTIS (wie in einer B von 10C gezeigt). Das Einstellen des Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkts beim Verdichtungshub TITMS ist derart, dass der Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt beim Verdichtungshub TITMS erweitert wird in Bezug auf den Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt des mageren Schichtladungs-Verbrennungsmodus.
11 zeigt ein Steuerverfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzmengen und der Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkte.
In einem Schritt S31 berechnet die Steuereinheit 50 die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite CTI wie zuvor erwähnt.
In einem Schritt S32 berechnet die Steuereinheit 50 das Divisionsverhältnis Ksp(t) nach der folgenden Gleichung. Ksp(t) = Ksp(t – 1) – dKsp
In dieser Gleichung gilt Ksp(0) = 0, Ksp(t) ≥ Ksp0 und ist Ksp(t) ein (letzter) gegenwärtiger Wert des Divisionsverhältnisses Ksp, ist Ksp(t – 1) einer vorheriger Wert des Divisionsverhältnisses Ksp und ist t eine Anzahl an Ausführungszyklen dieser Routine, die in regelmäßigen Zeitintervallen (t ≥ 1) ausgeführt wird. Durch diese Berechnung wird das Divisionsverhältnis Ksp(t) von 1 in jeder Dauer der Zeiteinheit (zum Beispiel 10 ms) um dKsp vermindert, bis Ksp0 erreicht ist.
In einem Schritt S33 berechnet die Steuereinheit 50 die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite vom Einlasshub CTH nach der folgenden Gleichung. CTIH = CTI × Ksp(t)
In einem Schritt S34 berechnet die Steuereinheit 50 die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite beim Verdichtungshub CTIS nach der folgenden Gleichung. CTIS = CTI × {1 – Ksp(t)}
In einem Schritt S35 bestimmt die Steuereinheit 50 das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer vorgegebenen Bedingung, um Kraftstoffeinspritzen mit der Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite, die an den Schritten 33 und 34 berechnet wurde, zuzulassen. In einem Bereich mit geringem Durchfluss besteht die Möglichkeit der Verschlechterung der Verbrennungsstabilität (Fahrbarkeit), der Emissionsleistung und der Kraftstoffeffizienz, weil ein nichtlinearer Bereich besteht, in dem die Kraftstoffeinspritz-Eigenschaften des Kraftstoffeinspritzventils nicht linear sind (so dass die aktuelle Kraftstoffeinspritzmenge nicht einheitlich durch die Impulsbreite bestimmt werden kann). Der Schritt S35 wurde entwickelt, um diese unerwünschte Möglichkeit zu vermeiden.
In diesem Beispiel vergleicht die Steuereinheit 50 jede der Kraftstoffeinspritz-Impulsbreiten CTIH und CTIS mit einer Mindest-Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite TIMIN, die eine Begrenzung eines linearen Bereichs darstellt. In Schritt S35 prüft die Steuereinheit 50, ob CTIH ≥ TIMIN und zur gleichen Zeit CTIS ≥ TIMIN ist. Die Steuereinheit 50 geht dann weiter zu einem Schritt S36 in dem Fall von JA und zu einem Schritt S39 in dem Fall von NEIN.
In Schritt S36 legt die Steuereinheit 50 die Impulsbreiten CTIH und CTIS fest, die an den Schritten 33 und 34 als finale Impulsbreiten CTIH und CTIS berechnet wurden.
An einem nächsten Schritt S37 ermittelt die Steuereinheit 50 den Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt beim Einlasshub TITMH und den Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt beim Verdichtungshub TITMS durch Anwendung der folgenden Gleichung. TITMH = f(CTIH, Ne) TITMS = f (CTIS, Ne)
In diesem Beispiel werden die Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkte TITMH und TITMS ermittelt, indem die A und B, gezeigt in 10B und 10C, aufgeschlagen werden.
An einem nächsten Schritt S38 sendet die Steuereinheit 50 ein erstes Kraftstoffeinspritz-Ansteuerungsimpulssignal mit der Impulsbreite TITMH beim Einspritzzeitpunkt TITMH und ein zweites Kraftstoffeinspritz-Ansteuerungsimpulssignal mit der Impulsbreite TITMS beim Einspritzzeitpunkt TITMS an das Kraftstoffeinspritzventil 5 und befiehlt dabei dem Kraftstoffeinspritzventil 5, das direkte Einspritzen von Kraftstoff beim Einlasshub und das direkte Einspritzen von Kraftstoff beim Verdichtungshub auszuführen. Danach beendet die Steuereinheit 50 diesen Steuerablauf.
Der Schritt S39 wird erreicht, wenn die Antwort des Schritts S35 NEIN ist. In Schritt S39 ermittelt die Steuereinheit 50, ob CTIH ≥ TIMIN und CTIS < TIMIN ist. Die Steuereinheit 50 geht weiter zu einem Schritt S40 in dem Fall von JA und zu einem Schritt S41 in dem Fall von NEIN.
Wenn CTIS < TIMIN ist, berücksichtigt die Steuereinheit 50 in Schritt S40, dass die Einspritzimpulsbreite CTIS zu klein ist, um eine zulässige Kraftstoffeinspritzleistung zu erzielen, und ermittelt schließlich die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreiten CTIH und CTIS, indem sie CTIS gleichsetzt mit der Mindest-Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite (Einspritzmenge) TIMIN, um die Mindestdurchflussrate sicherzustellen, und justiert die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite CTIH, um die gesamte Kraftstoffeinspritzmenge CTI unverändert zu halten. CTIH = CTI – CTIS CTIS = TIMIN
Danach geht die Steuereinheit 50 weiter zu den Schritten S37 und S38 und ermittelt die Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkte und befiehlt dem Kraftstoffsystem, die Einlasshub- Kraftstoffeinspritzung und die Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung des stöchiometrischen Schichtladungsmodus auszuführen.
Bei dem Schritt S41 ermittelt die Steuereinheit 50, ob CTIH < TIMIN und zur gleichen Zeit CTIS ≥ TIMIN ist. Die Steuereinheit 50 geht weiter zu einem Schritt S42 in dem Fall von JA und zu einem Schritt S42 in dem Fall von NEIN.
Ist CTIH < TIMIN, berücksichtigt die Steuereinheit 50 bei dem Schritt S42, dass die Einspritzimpulsbreite CTIH zu klein ist, um eine zulässige Kraftstoffeinspritzleistung zu erzielen und legt die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreiten CTIH und CTIS fest, indem CTIH gleich zu der Mindest-Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite (Einspritzmenge) TIMIN gesetzt wird, um die Mindestdurchflussrate sicherzustellen, und legt die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite CTIS fest, um die gesamte Kraftstoffeinspritzmenge CTI unverändert zu halten. CTIH = TIMIN CTIS = CTI – CTIH
Danach geht die Steuereinheit 50 weiter zu den Schritten S37 und S38 und ermittelt die Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkte und befiehlt dem Kraftstoffsystem, die Einlasshub-Kraftstoffeinspritzung und die Verdichtungshub-Einspritzung des stöchiometrischen Schichtladungsmodus auszuführen.
In Schritt S43 urteilt die Steuereinheit 50, dass CTIH < TIMIN und zur gleichen Zeit CTIS < TIMIN ist, und diese Bedingung ist ungeeignet, sowohl die Einlasshub-Kraftstoffeinspritzung als auch die Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung auszuführen, und geht deshalb weiter zu einem Schritt S44, um die Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung zu verhindern und nur die Einlasshub-Kraftstoffeinspritzung zu erlauben.
In Schritt S44 schließt die Steuereinheit 50 die Kraftstoffeinspritzimpulse CTIH und CTIS wie folgt ab: CTIH = CTI CTIS = 0
Danach geht die Steuereinheit 50 weiter zu den Schritten S37 und S38, ermittelt den Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt für die Einlasshubeinspritzung und befiehlt dem Kraftstoffsystem, die Einlasshub-Kraftstoffeinspritzung auszuführen.
Wie bei dem Zündzeitpunkt kann das Steuersystem den Zündzeitpunkt entsprechend einer MBT-Technik (Minimum Spark Advance of Best Torque = Mindestvorzündung des besten Drehmoments) steuern.
Das Steuersystem nach dieser Ausführungsform kann beständige Kraftstoffeinspritzleistung sicherstellen (ausgenommen unregelmäßige oder instabile Einspritzung) mit dem Vorteil der Emissionssteuerung, Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Fahrbarkeit, indem die untere Grenze der Mindest-Kraftstoffeinspritzmenge TIMIN für jede offene Periode des Kraftstoffeinspritzventils 5 festgelegt wird.
12 zeigt einen Zündzeitpunkt-Steuerprozess, der durch ein Steuersystem nach einer zweiten Ausführungsform ausgeführt wird. Das Steuersystem nach der zweiten Ausführungsform führt die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung aus, um den Aufwärmbetrieb wie in der ersten Ausführungsform zu verbessern. Darüber hinaus ist das Steuersystem der zweiten Ausführungsform angeordnet, um den Zündzeitpunkt während des stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus zu steuern, um die Abgastemperatur während des Aufwärmprozesses weiter zu steigern, die HC-Emission in die Atmosphäre während des Aktivierungsprozesses für den Abgaskatalysator 9 weiter zu reduzieren und um den Aktivierungsprozess des Abgaskatalysators 9 weiter zu beschleunigen. Das Steuersystem nach der zweiten Ausführungsform ist gestaltet wie in 1 gezeigt und angeordnet, um die in 2, 3, 5 und 11 gezeigten Steuerabläufe wie in der ersten Ausführungsform auszuführen.
Die Steuereinheit 50 nach der zweiten Ausführungsform steuert den Zündzeitpunkt in der Verzögerungsrichtung während der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung, indem sie dem in 12 gezeigten Steuerablauf folgt.
In einem Schritt S51 ermittelt die Steuereinheit 50, ob die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung in Betrieb ist. Die Steuereinheit 50 kann die Prüfung des Schritts S51 ausführen, indem sie die Antwort von Schritt S6 von 2 zur Erlaubnis oder Verhinde rung des Wechsels zu dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus prüft (oder durch Prüfung eines festgelegten Zustands eines Erlaubnissignals für die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung).
Von dem Schritt S51 geht die Steuereinheit 50 weiter zu einem Schritt S52 in dem Fall von JA und zu einem Schritt S53 in dem Fall von NEIN.
Bei dem Schritt S52 legt die Steuereinheit 50 den Zündzeitpunkt fest durch Verwendung einer Zündzeitpunktverzögerungs-Einstellkarte, wie in dem Schritt S52 von 12 gezeigt. In dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus wird der Zündzeitpunkt an einem am meisten verzögerten Punkt innerhalb einer stabilen Verbrennungsgrenze festgelegt, wie durch einen nach unten gerichteten Pfeil in dem Schritt S52 von 12 gezeigt, anstelle eines MBT-Punkts (most fuel efficient point – Punkt der höchsten Kraftstoffeffizienz).
In Schritt S53 legt die Steuereinheit 50 den Zündzeitpunkt fest, indem sie eine Normalzündzeitpunkt-Einstellkarte verwendet, wie in dem Schritt S53 von 12 gezeigt. In dem normalen Verbrennungsmodus wird anders als bei dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus der Zündzeitpunkt an einem MBT-Punkt festgelegt, um einen vorgegebenen Kraftstoffverbrauch (oder Motorstabilität) zu erzielen, wie durch einen nach unten gerichteten Pfeil in dem Schritt S53 von 12 gezeigt.
In dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus, sogar wenn der Zündzeitpunkt entsprechend zu dem MBT festgelegt ist, ist es möglich, den Zündzeitpunkt im Hinblick auf den MBT-Zeitpunkt in dem normalen Verbrennungsmodus zu verzögern (wie etwa dem Verbrennungsmodus, der ein annähernd stöchiometrisches Gemisch nahe um die Zündkerze herum erzeugt) und zur gleichen Zeit die Motorstabilität zu erhöhen (wie in der Zündzeitpunktverzögerungs-Einstellkarte gezeigt), so dass die Ziele von Motorstabilität und Abgastemperaturerhöhung gleichzeitig auf höherem Grad erreicht werden können. Darüber hinaus kann das Steuersystem dieses Beispiels die Abgastemperatur maßgeblich erhöhen durch Verzögerung des Zündzeitpunkts in dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus bis zu einer Maximalgrenze innerhalb des Motorstabilitätsbereichs.
Alternativ ist es möglich, den Zündzeitpunkt in dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus in einem solchen Maß zu verzögern, um einen Grad an Motorstabi lität zu erzielen, der gleich dem in dem normalen Verbrennungsmodus ist. In diesem Fall kann das Steuersystem den Zündzeitpunkt in dem stöchiometrischen Verbrennungsmodus, verglichen mit dem normalen Verbrennungsmodus, maßgeblich verzögern, so dass die Abgastemperatur wirksam erhöht wird.
Auf diese Weise weist die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung solch eine Kennzeichnung auf, dass die Motorstabilität relativ hoch ist, sogar in einem Verzögerungsbereich (wie in der Karte in Schritt S52 gezeigt), und das Steuersystem nach der zweiten Ausführungsform ist angeordnet, diese Kennzeichen zu nutzen, um die Abgastemperatur durch Verzögerung des Zündzeitpunkts innerhalb des Motorstabilitätsbereichs zu erhöhen (oder innerhalb eines Bereichs, der fähig ist, den Motorstabilitätsgrad im normalen Verbrennungsmodus zu erzielen).
13 zeigt einen Steuerprozess nach einer dritten Ausführungsform Zusätzlich zu dem Steuerbetrieb zur Verbesserung der Aufwärmleistung durch die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung, ist das Steuersystem nach der dritten Ausführungsform angeordnet, um eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnisses auszuführen, die auf dem Auslass des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 8 während der Aufwärmperiode in dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus basiert. Durch die Rückführsteuerung kann das Steuersystem genau das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors in seiner Gesamtheit zu dem Zielgrad wie etwa dem stöchiometrischen Grad steuern, mit dem größeren Vorteil bei der Aktivierung des Abgaskatalysators 9 und Verminderung der HC-Emission. Das Steuersystem kann die Temperatur des Abgaskatalysators zuverlässig und wirksam erhöhen.
Das Steuersystem nach der dritten Ausführungsform ist, wie in 1 gezeigt, wie in der ersten Ausführungsform gestaltet und angeordnet, um die Steuerprozesse wie in 2, 3, 5 und 11 auszuführen. Zusätzlich zu den Steuerabläufen, die im Wesentlichen identisch mit den in der ersten Ausführungsform verwendeten Steuerabläufen sind, steuert die Steuereinheit 50 nach der dritten Ausführungsform das aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch die Rückführsteuerung, um die Abweichung des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem gewünschten Zielverhältnis entsprechend dem Ergebnis der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Messung durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 8 zu vermindern.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 8 ist an der vorgeschalteten Seite des Abgaskatalysators 9 angeordnet, und die Wärmekapazität des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 8 ist gering. Deshalb kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 8 im Vergleich zu dem Abgaskatalysator 9 schnell aktiviert werden. Darüber hinaus ist es möglich, den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 8 gewaltsam mit einem elektrischen Heizgerät zu erwärmen und zu aktivieren. Deshalb kann das Steuersystem die Luft-Kraftstoff-Rückführsteuerung während des Betriebs in dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus (für das Aufwärmen des Abgaskatalysators 9) durch Verwendung des Auslasssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 8 richtig ausführen.
Die Steuereinheit 50 nach der dritten Ausführungsform führt die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Rückführverhäitnisses (λ-Steuerung) wie in 13 gezeigt aus.
In einem Schritt S61 prüft die Steuereinheit 50, ob dort eine Bedingung existiert, um die Rückführsteuerung (Lambda) in dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus zu erlauben. Diese Prüfung kann durchgeführt werden, indem geprüft wird, ob der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 8 aktiviert ist oder nicht, wie nach der existierenden Technik. Die Steuereinheit 50 kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein dieser Bedingung für die Lambdasteuerung ermitteln, indem das Verhalten des Auslasssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 8, die Temperatur des Motorkühlwassers oder die seit dem Start des Motors vergangene Zeit überwacht wird.
Von dem Schritt S61 geht die Steuereinheit 50 weiter zu einem Schritt S62 in dem Fall von JA und zu einem Schritt S64 in dem Fall von NEIN.
In Schritt S62 führt die Steuereinheit 50 die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnisses in einer Weise durch, die im Wesentlichen identisch ist mit der Steuerung des Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnisses (F/B) in dem herkömmlichen System. In diesem Beispiel ermittelt die Steuereinheit 50 die Abweichung des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem stöchiometrischen Verhältnis (theoretisches Verhältnis) durch Verwendung des Auslasssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 8 auf der vorgeschalteten Seite des Abgaskatalysators 9 und ermittelt den Korrekturfaktor zum Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnis LAMD in dem Proportional-Integral-(PI)-Steuergesetz, um so die Abweichung zu vermindern.
An einem nächsten Schritt S63 korrigiert die Steuereinheit 50 die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite CTI, so dass der auf diese Weise ermittelte Korrekturfaktor zum Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnis (Lambda) LAMD sich in der Kraftstoffeinspritzmenge zeigt. Danach legt das Steuersystem die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreiten CTIH und CTIS und die Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkte TITMH und TITMS entsprechend dem Flussdiagramm von 11 fest und führt die Kraftstoffeinspritzabläufe durch.
Wenn auf der anderen Seite die Lambdasteuerung nicht erlaubt ist, ist Schritt S64 erreicht, und die Steuereinheit 50 legt den Korrekturfaktor zum Luft-Kraftstoff-Rückführverhältnis LAMD an einem festgelegten Wert (1,0 in diesem Beispiel) fest, um die offene Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung (Optimalwertsteuerung) auszuführen und berechnet die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite CTI entsprechend dem festgelegten Rückführ-Korrekturfaktor LAMD. Danach legt das Steuersystem die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreiten CTIH und CTIS und die Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkte TITMH und TITMS entsprechend dem Flussdiagramm von 11 fest und führt die Kraftstoffeinspritzabläufe aus.
14, 15, 16A und 16B zeigen eine vierte Ausführungsform. Das Steuersystem nach der vierten Ausführungsform führt die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung (SS-Verbr.) aus, indem es ein Kraftstoffeinspritzventil 17, das in dem Einlasskanal 2 angeordnet ist, für die erste Kraftstoffeinspritzung des stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus bei dem Auslass- oder Einlasshub verwendet, um das Hintergrundgemisch, das magerer als stöchiometrisch ist, überall in der Brennkammer zu erzeugen, und indem es das Direkteinspritzventil 5 für die zweite Einspritzung (Verdichtungs-Einspritzung) beim Verdichtungshub verwendet, um den konzentrierten Schichtladungsbereich, der fetter als stöchiometrisch ist, um die Zündkerze 6 herum zu erzeugen. 14 und 16B zeigen ein Bespiel nach der vierten Ausführungsform, und 15 und 16A zeigen ein weiteres Beispiel.
Es ist möglich, ein herkömmliches Kraftstoffeinspritzventil als das Kraftstoffeinspntzventil 17 zur Kraftstoffeinspritzung in den Einlasskanal zu verwenden. In dem Fall, in dem ein Motor mit einem Kraftstoff-Direkteinspritzventil 5 ausgestattet ist, ist es möglich, das Kraftstoffeinspritzventil 17 als ein zusätzliches Kraftstoffeinspritzventil zu verwenden, um den Startbetrieb des Motors zu unterstützen, oder als ein zusätzliches Kraftstoffeinspritzventil zur Sicherstellung einer Kraftstoffmenge bei voller Belastung. Das Kraftstoffeinspritzventil 17 dient als Kraftstoffzuführeinrichtung.
Das Kraftstoffeinspritzventil oder die -einspritzventile 17 (bezeichnet als ein zusätzliches Kraftstoffeinspritzventil (CSV) oder vorgeschaltetes Kraftstoffeinspritzventil) sind angeordnet wie in 16A oder 16B gezeigt.
Die Anordnung der vierten Ausführungsform eliminiert die Notwendigkeit, das Kraftstoffeinspritzventil 5 zweimal in jedem Zyklus zu betreiben, so dass die Anforderungen an das Kraftstoffeinspritzventil 5 weniger hoch werden. Deshalb ist es leicht möglich, das Übertragungsverhalten der Einspritzventile zu erhöhen, indem die Kapazität der Einspritzventile verringert wird, um die Mindestdurchflussrate zu vermindern und die Haltbarkeit der Einspritzventile zu erhöhen. Die Einspritzung durch das Einspritzventil 17 bei dem Auslass- oder Einlasshub macht es möglich, die Zeit für die Kraftstoffzerstäubung zu verlängern.
17 zeigt einen Steuerprozess, den die Steuereinheit 50 nach der vierten Ausführungsform während des Ablaufs des stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus ausführt.
Schritte S71 ~ S75 sind im Wesentlichen identisch mit den Schritten S1 ~ S5 von 2. In Schritt S74 führt das Steuersystem den Kraftstoffeinspritzablauf bei dem Einlasshub zum Starten des Motors aus, indem das Kraftstoff-Direkteinspritzventil 5 anstelle des vorgeschalteten Kraftstoffeinspritzventils 17 verwendet wird.
Im Vergleich zu der Kraftstoffeinspritzung in den Einlasskanal durch das vorgeschaltete Kraftstoffeinspritzventil 17 kann die Kraftstoff-Direkteinspritzung in den Zylinder durch das Direkteinspritzventil 5 den Startvorgang des Motors erleichtern und die Zeit von einem Start des Anlassers bis zur ersten Explosion oder vollständigen Explosion wesentlich verringern.
In einem Schritt S76 prüft die Steuereinheit 50, ob der Leerlaufschalter eingeschaltet ist. Dann geht die Steuereinheit 50 weiter zu einem Schritt S77, um die vollständige Explosion (oder den Abschluss eines Startvorgangs) in dem Fall einer bejahenden Antwort von dem Schritt S76 zu prüfen, und zu einem Schritt S78, um die Verbrennung weiter zu stabilisieren, indem ein homogenes Gemisch durch das zusätzliche Kraftstoffeinspritzventil (CSV) 17 erzeugt wird in dem Fall einer negativen Antwort vom Schritt S76, die auf den Zustand hinweist, in welchem das Gaspedal niedergedrückt ist.
Der Schritt S77 ist ein Entscheidungsschritt zur Ausführung der vollständigen Explosionsprüfung (zur Prüfung des Abschlusses eines Motorstartvorgangs). In dem Fall der bejahenden Antwort von dem Schritt S77, der die vollständige Explosion anzeigt, geht die Steuereinheit 50 weiter zu dem Schritt S78, um die Verbrennung weiter zu stabilisieren durch Erzeugung des homogenen Gemischs durch das zusätzliche Kraftstoffeinspritzventil (CSV) 17. In dem Fall der negativen Antwort der vollständigen Explosionsprüfung kehrt die Steuereinheit 50 zu dem Schritt S74 zurück, um die stärker reagierende direkte Kraftstoffeinspritzung fortzusetzen (für die homogene Direkteinspritzungs-Ladungsverbrennung). Die vollständige Explosionsprüfung, die in diesem Beispiel verwendet wird, wird in 18 gezeigt.
In einem Schritt 78 befiehlt die Steuereinheit 50 den Wechsel zu der homogenen Verbrennung durch das zusätzliche Kraftstoffeinspritzventil 17, das vorteilhaft für die Motorstabilität ist, verglichen mit der Kraftstoff-Direkteinspritzung in den Zylinder. Folglich wird der Verbrennungsmodus von der Kraftstoff-Zylindereinspritzung, die vorteilhaft für das Anlassen ist, umgeschaltet zu der Kraftstoff-Kanaleinspritzung in den Einlasskanal, die vorteilhaft für die Motorstabilität ist.
Bei einem Schritt S79 führt die Steuereinheit 50 die Aktivierungsprüfung des Abgaskatalysators 9 in der gleichen Weise aus, wie der Schritt S5 von 2. Wenn der Abgaskatalysator 9 immer noch in dem inaktiven Zustand ist (und folglich die Antwort JA ist), geht die Steuereinheit 50 weiter zu einem Schritt S80.
Wenn der Abgaskatalysator 9 in dem aktiven Zustand ist (und die Antwort NEIN ist), entscheidet die Steuereinheit 50, dass dort keine Notwendigkeit für die Steuerung zur Aktivierung des Abgaskatalysators 9 besteht und geht weiter zu einem Schritt S83. In Schritt S83 betreibt die Steuereinheit 50 den Motor in dem normalen Verbrennungsmodus entsprechend den Motorbetriebsbedingungen. Danach beendet die Steuereinheit 50 diesen Ablauf.
In Schritt S80 prüft die Steuereinheit 50 die Kolbenbodentemperatur in der gleichen Weise wie der Schritt S6 von 2.
In dem Fall von JA entscheidet die Steuereinheit 50, dass die Ausführung der stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennung geeignet ist, und geht weiter zu einem Schritt S81. In dem Fall von NEIN entscheidet die Steuereinheit 50, dass die Kolbenbodentem peratur zu niedrig ist, um die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung auszuführen, und kehrt zu dem Schritt 578 zurück, um den stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus zu verhindern und stattdessen die homogene Ladungsverbrennung durch die Kraftstoffeinspritzung in den Einlasskanal mit dem vorgeschalteten Kraftstoffeinspritzventil 17 fortzusetzen.
In einem Schritt S81 erlaubt die Steuereinheit 50 den Wechsel zu dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus und führt die stöchiometrische Schichtladungs-Verbrennung mit dem Antriebssystem aus.
In diesem Beispiel wird die gesamte Kraftstoffmenge (nach Gewicht), die pro Zyklus benötigt wird, um die vollständigste Verbrennung des Kraftstoffs mit der Einlassluftmenge der Luft pro Verbrennungszyklus zu erzielen und ein annähernd stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erlangen, in den ersten Anteil von etwa 50 % bis etwa 90 % für die erste Einspritzung in den Einlasskanal und den verbleibenden zweiten Anteil von etwa 50 % bis 10 % für die Verdichtungshub-Einspritzung geteilt. Der erste Anteil (etwa 50 % ~ etwa 90 %) der gesamten Kraftstoffgewichtsmenge pro Zyklus wird beim Auslass- oder Einlasshub so in den Einlasskanal 2 gespritzt, dass ein relativ mageres (magerer als stöchiometrisch) homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch beim Einlasshub überall in der Gesamtheit der Brennkammer erzeugt wird. Die verbleibenden etwa 50 % bis etwa 10 % des zweiten Anteils werden so beim Verdichtungshub eingespritzt, um ein relativ fettes (fetter als stöchiometrisch) Schichtladungs-Luft-Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze 6 herum zu erzeugen. Dann erfolgt die Verbrennung in der Brennkammer in dem Stadium, in welchem der fettere Bereich um die Zündkerze 6 herum in dem magereren Hintergrund gebildet wird, wie in 9 gezeigt.
In diesem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus können Teile der ersten und zweiten Anteile so bestimmt werden, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Hintergrundgemischs, das magerer als stöchiometrisch ist und in der Brennkammer bei dem Einlasshub durch die erste Einspritzung in den Einlasskanal während des Auslass- oder Einlasshubs erzeugt wird, 16 ~ 28 ist, und dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs, das fetter als stöchiometrisch ist und um die Zündkerze 6 herum durch die zweite Einspritzung bei dem Verdichtungshub erzeugt wird, 9 ~ 13 ist. Solange die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse der Gemischbereiche innerhalb dieser Spannen liegen, ist es optional, das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Gemisch-Verhältnis in der Brennkammer auf einem Wert zu halten (zum Beispiel innerhalb einer Spanne von 13,8 ~ 18), die leicht von dem theoretischen Verhältnis abweicht.
Der stöchiometrische Schichtladungs-Verbrennungsmodus nach der vierten Ausführungsform kann eine höhere Abgastemperatur erzeugen im Vergleich zu der normalen homogenen stöchiometrischen Verbrennung und kann darüber hinaus die Menge an unverbranntem HC verringern, das von der Brennkammer in den Auslasskanal ausgestoßen wird (wie in 25 und 26 gezeigt).
Die erste Kraftstoffeinspritzung in den Einlasskanal 2 durch das vorgeschaltete Einspritzventil 17 kann die Motorstabilität während einer Periode von vollständiger Explosion bis zur Aktivierung verbessern im Vergleich zu der ersten Kraftstoff-Direkteinspritzung in den Zylinder (Einlasseinspritzung) nach der ersten Ausführungsform (wie in dem Zeitdiagramm von 19 gezeigt).
Mit der Verbesserung der Motorstabilität kann das Steuersystem nach der vierten Ausführungsform den Zündzeitpunkt weiter verzögern und dadurch die Abgastemperatur während der Periode von vollständiger Explosion bis zur Katalysatoraktivierung erhöhen im Vergleich zu der ersten Ausführungsform. Deshalb kann die vierte Ausführungsform wirksam die HC-Emission und die Aktivierungszeit weiter reduzieren.
Zurückkehrend zu dem Flussdiagramm von 17 ist ein Schritt S82 im Wesentlichen identisch mit dem Schritt S8 von 2. Die Steuereinheit 50 prüft, ob der Abgaskatalysator 9 aktiviert ist (oder ob der Aufwärmablauf abgeschlossen ist).
Die Steuereinheit 50 geht weiter zu einem Schritt S83 in dem Fall von JA und kehrt zu dem Schritt S81 zurück, um den stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus fortzusetzen, bis die Aktivierung abgeschlossen ist.
In Schritt S83 wechselt die Steuereinheit 50 den Verbrennungsmodus zu dem normalen Verbrennungsmodus, um die gewünschte Emissionssteuerleistung, Kraftstoffeffizienz oder Fahrbarkeit entsprechend den Motorbetriebsbedingungen zu erzielen, und beendet dann den Steuerablauf von 17.
Auf diese Weise kann das Steuersystem nach der vierten Ausführungsform die HC-Emission und die Zeit des Aufwärmablaufs verringern und die Motorstabilität verbessern.
18 zeigt ein Beispiel einer vollständigen Explosionsprüfung (Prüfung der Vollendung der Inbetriebsetzung), ausgeführt in dem Schritt S77. Der Ablauf wird durchgeführt nach dem Start des Motors.
In einem Schritt S91 prüft die Steuereinheit 50, ob die Motorgeschwindigkeit Ne innerhalb einer vorgegebenen Spanne ist (oder die Motorgeschwindigkeit Ne gleich wie oder höher als ein vorgegebener Wert ist). Die Steuereinheit 50 geht weiter zu einem Schritt S92, um im Fall von JA die vollständige Explosionsprüfung auszuführen. In dem Fall von NEIN geht die Steuereinheit 50 zu einem Schritt S95 weiter, um ein Zählwerk zurückzusetzen, und kehrt dann zurück.
In Schritt S92 führt die Steuereinheit 50 einen Vorwärtszählablauf des Zählwerks aus. In einem Schritt S93 prüft die Steuereinheit 50, ob die Zählung des Zählwerks gleich ist mit oder höher als eine vorgegebene Zahl N. In dem Fall von JA geht die Steuereinheit 50 weiter zu einem Schritt S94 und entscheidet, dass die Explosion vollständig ist. Danach setzt die Steuereinheit 50 das Zählwerk in Schritt S95 zurück und beendet dann den Ablauf von 18. Wenn die Antwort von dem Schritt S93 NEIN ist, kehrt die Steuereinheit 50 sofort zurück und wiederholt diesen Ablauf.
Auf diese Weise kann das Steuersystem einfach und genau beurteilen, dass der Motorstartablauf beendet ist (vollständige Explosion ist erreicht) und dass der Motor so stabil läuft, dass es unwahrscheinlich ist, dass ein Wechsel des Verbrennungsmodus den Motor abwürgt.
In Abhängigkeit von dem Ergebnis der vollständigen Explosionsprüfung von 18 kann das Steuersystem rechtzeitig den Motorstartablauf der Einlasshub-Kraftstoff-Direkteinspritzung durch das Einspritzventil 5 für den Ablauf zur Einspritzung des Kraftstoffs in den Einlasskanal 2 mit dem vorgeschalteten Kraftstoffeinspritzventil 17 wechseln und dadurch die Stabilität des Motors während einer Periode von vollständiger Explosion bis zum Abschluss der Aktivierung des Katalysators verbessern.
19 ∽ 22 zeigen eine fünfte Ausführungsform. Das Steuersystem nach der fünften Ausführungsform weist einen Ventileinstellmechanismus (oder Ventil-Zeitsteuermechanismus) auf, um Öffnungs- und/oder Verschlussmerkmale von mindestens einem der Einlass- und Auslassventile zusätzlich zu der Basisstruktur, die gleichartig zu einer der vorstehenden Ausführungsformen ist, zu verändern. Mit dem Ventilein stellmechanismus verändert das Steuersystem nach der fünften Ausführungsform die Ventilöffnungsmerkmale (Ventilüberschneidung oder Ventilöffnungs- oder – verschlusszeitpunkte). Es ist möglich, jeden der verschiedenen bekannten Mechanismen als den Ventileinstellmechanismus zu verwenden, wie etwa einen Mechanismus zur Veränderung einer Rotationsphase oder einen Antriebswinkel des Einlass- und/oder Auslassventils durch Verwendung einer Nockenwelle und einen Mechanismus, der ein Magnetventil zur Veränderung der Ventilzeitpunkte umfasst.
Das Steuersystem nach der fünften Ausführungsform verändert die Ventilüberschneidungsmenge (O/L) bei dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus (SS-Verbrennung), wie in 19 gezeigt, und erhöht dadurch eine interne AGR-Menge (Rate) aufgrund von Rückschlag (Rückfluss) des Abgases. Das Abgas wird auf diese Weise intern wieder in die Brennkammer zurückgeführt und wird erneut in dem Zylinder verbrannt, und der HC-Prozentsatz in dem Abgasgemisch wird reduziert (das heißt, der CO-Prozentsatz wird erhöht), um die Sauerstoffreaktion in dem Auslasskanal 7 und dem Abgaskatalysator 9 voranzutreiben. Darüber hinaus erhöht die Einführung des relativ heißen Abgasgemischs in den Zylinder die Gastemperatur in dem Zylinder, und der Temperaturanstieg treibt die Zerstäubung des Kraftstoffs voran und verringert den unverbrannten HC-Gehalt.
20 zeigt einen Steuerprozess, den die Steuereinheit 50 der fünften Ausführungsform ausführt.
In einem Schritt S101 prüft die Steuereinheit 50, ob die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung in Betrieb ist. Die Steuereinheit 50 geht weiter zu einem Schritt S102 in dem Fall von JA und zu einem Schritt S103 in dem Fall von NEIN.
In Schritt S102 bestimmt die Steuereinheit 50 eine Ziel-O/L-Breite, die geeignet ist für die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung durch Verwendung einer O/L-Breitenkarte wie in dem Schritt S102 von 20 gezeigt, um die Ventilüberschneidungs-(O/L)menge oder -breite (wie in 21 gezeigt) zu erhöhen oder zu erweitern.
Dann erzielt das Steuersystem die Ziel-O/L-Breite durch Voranschreiten des Ventilöffnungszeitpunkts des Einlassventils wie in 21 gezeigt (oder Verzögerung des Ventilverschlusszeitpunkts des Auslassventils).
In Schritt S103 bestimmt die Steuereinheit 50 die Ziel-O/L-Breite für den normalen Verbrennungsmodus, indem sie eine O/L-Breitenkarte, wie in dem Schritt S103 von 20 gezeigt, verwendet. Dann steuert das Steuersystem den Ventileinstellmechanismus, um den Öffnungszeitpunkt des Einlassventils zu steuern und die Ziel-O/L-Breite in dem normalen Modus zu erzielen.
Es ist möglich, die interne AGR-Menge während des Ablaufs des stöchiometrischen Verbrennungsmodus zu erhöhen, indem der Antriebswinkel des Auslassventils verringert und der Verschlusszeitpunkt des Auslassventils vorangetrieben wird, um die Auslass- oder Rücklaufeffizienz mit dem variablen Ventilzeitpunktmechanismus zu verringern, der entwickelt wurde, um den Ventilantriebswinkel zu verändern. (Alternativ ist es des Weiteren möglich, die interne AGR-Menge aufgrund eines Rückflusses des Abgases zu erhöhen, indem der Aktivierungswinkel des Einlassventils verringert und dadurch die O/L-Menge verringert wird.)
Auf diese Weise erhöht das Steuersystem nach der fünften Ausführungsform die interne AGR-Menge in dem stöchiometrischen Schichtladungsmodus durch Einstellung von mindestens einem der Einlass- und Auslassventile. Es ist möglich, jeden der bekannten Ventilzeitpunkt-Einstellmechanismen zu verwenden und jede einer Vielzahl von bekannten Techniken zur Erhöhung der internen AGR-Menge zu verwenden.
23 zeigt eine Variation des Steuersystems nach der fünften Ausführungsform. Das in 23 gezeigte Steuersystem ist angeordnet, um eine externe AGR-Menge (oder Rate) während des Betriebs in dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus zu erhöhen, um die gleichen Effekte der fünften Ausführungsform zu erlangen.
Ein in 23 gezeigtes AGR-System umfasst einen Abgasrückführ(AGR)kanal 18 und ein AGR-Steuerventil 19. Der AGR-Kanal 18 zweigt von dem Auslasskanal 7 ab und erstreckt sich bis zu dem Einlasskanal 2, um einen Teil des Abgases wieder in den Einlasskanal 2 zurückzuführen. Das AGR-Steuerventil 19 ist in dem AGR-Kanal 18 angeordnet und ausgerichtet, um den Fluss des AGR-Gases zu steuern, das durch den AGR-Kanal 18 zurückgeführt wird. Die Steuereinheit 50 ist angeordnet, den Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 19 zu steuern.
Während des Ablaufs in dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus erhöht die Steuereinheit 50 die (externe) AGR-Menge, um die oben erwähnten Effekte durch die Verringerung der internen AGR-Menge zu erlangen. Durch derartige Steuerung der externen AGR-Menge in dem stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus kann dieses Steuersystem die HC-Emission verringern und den Abgaskatalysator 9 schnell starten.
Auf diese Weise, durch Anwendung der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung, die überlegen bei der Verbrennungsstabilität ist, erhöht das Steuersystem nach der fünften Ausführungsform die AGR-Menge, um die Abgastemperatur zu erhöhen und um die Menge von unverbranntem HC weiter zu verringern.
In jeder der Ausführungsformen ist es optional, eine Luftströmung im Zylinder anzuwenden wie etwa Wirbelbewegung in der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung. Die Luftströmung im Zylinder ist die Bewegung von Luft in der Brennkammer (einschließlich horizontaler Bewegung und vertikaler Bewegung). Das Steuersystem kann die Stabilität der Verbrennung verbessern, die HC-Emission weiter verringern und die Katalysatoraktivierung durch Ausführung der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung im starken Wirbelzustand (oder Zustand mit starker Luftströmung im Zylinder) vorantreiben.
In einem in 24 gezeigten Beispiel ist ein Wirbelsteuerventil 20 in dem Einlasskanal 2 angeordnet. Die Steuereinheit 50 sendet ein Antriebssignal an das Wirbelsteuerventil 20 und steuert dadurch das Öffnen und Schließen des Wirbelsteuerventils 20 entsprechend den Motorbetriebsbedingungen. In diesem Beispiel verstärkt die Steuereinheit 50 den Wirbel im Zylinder durch Schließen des Wirbelsteuerventils 20 während des Ablaufs des stöchiometrischen Schichtladungs-Verbrennungsmodus (wie in dem mageren Schichtladungs-Verbrennungsmodus) und schwächt den Wirbel während des Ablaufs ab durch Öffnung des Wirbelsteuerventils 20 während des Betriebs in dem homogenen stöchiometrischen Verbrennungsmodus oder dem homogenen mageren Verbrennungsmodus. Es ist möglich, ein Wirbelsteuerventil 20 einer früheren Technologie als das Wirbelsteuerventil 20 zu verwenden. In 24 ist der Ventileinstellmechanismus (oder Ventilzeitpunkt-Steuermechanismus) schematisch durch gestrichelte Linie bei 71 dargestellt.
Um die stöchiometrische Schichtladungsverbrennung in den ersten bis dritten Ausführungsformen auszuführen, wird das Kraftstoffeinspritzventil 5 zweimal geöffnet, zuerst für die Einlasshubeinspritzung und zum zweiten Mal für die Auslasshubeinspritzung. Jedoch ist es optional, das Steuersystem in einer solchen Weise zu konstruieren, dass das Kraftstoffeinspritzventil 5 bei dem Einlasshub geöffnet und bei dem Verdichtungshub geschlossen ist. In diesem Fall erstreckt sich die Dauer der Kraftstoffeinspritzung von dem Einlasshub bis zu dem Verdichtungshub.
Das Steuersystem nach der vorliegenden Unterrichtung kann zusammengestellt sein, um ein Anforderungssignal zu erzeugen, das die Anforderungsbedingungen darstellt, die den Temperaturanstieg der katalytischen Emissionsteuervorrichtung (bei der stöchiometrischen Schichtladungsverbrennung) anfordern, wenn ein Motorstart- oder Anlassablauf erkannt wird. In diesem Fall kann das Steuersystem die katalytische Vorrichtung schnell nach dem Start des Motors aktivieren.

Claims

Motorsystem, das umfasst: einen Funkenzündungs-Verbrennungsmotor (1) mit Direkteinspritzung, die ein Kraftstoffeinspritzventil (5) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer des Motors (1) und eine Zündkerze (6) zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer umfasst; und eine Motorsteuereinrichtung (50), die den Motor (1) in einem ersten Schichtladungs-Verbrennungsmodus betreibt, um ein im Wesentlichen stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen, das zur Zeit der Zündung in einem vorgegebenen Motorbetriebsbereich um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, indem Kraftstoffeinspritz-Menge und Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung während eines Verdichtungshubes durch das Kraftstoffeinspritzventil (5) und Zündzeitpunkt der Zündkerze (6) gesteuert werden, einen vorgegebenen Anforderungszustand erfasst, der eine Temperaturerhöhung einer katalytischen Emissionssteuervorrichtung (9) anfordert, die in einem Auslasskanal (7) des Motors (1) angeordnet ist, und den Motor (1) in einem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus betreibt, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter ist als stöchiometrisch, mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen, das fetter ist als ein stöchiometrisches Verhältnis, und das zur Zeit der Zündung um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, indem die Kraftstoffeinspritz-Menge und der Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt der Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung bei dem Verdichtungshub durch das Kraftstoffeinspritzventil (5) und der Zündzeitpunkt der Zündkerze (6) gesteuert werden, wenn der vorgegebene Anforderungszustand erfasst wird, wobei das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter ist als stöchiometrisch und zur Zeit der Zündung um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, sich in einem zündbaren, zerstäubten Zustand mit einem zündbaren Luft-Kraftstoff-Verhältnis befindet, und die Steuereinrichtung (50) ein Kraftstoffzerstäubungsintervall von einer Zeit einer Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung an bis zu der Zeit der Zündung in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus länger einstellt als in dem ersten Schichtladungs-Verbrennungsmodus.
Motorsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (50) die Kraftstoffeinspritz-Menge und den Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt der Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung und den Zündzeitpunkt in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus so steuert, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, das zur Zeit der Zündung um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, in einem Bereich von 9 bis 13 eingestellt wird.
Motorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (50) so konfiguriert ist, dass sie den Zündzeitpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus so unterscheidet, dass der Zündzeitpunkt in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus gegenüber dem Zündzeitpunkt in dem ersten Schichtladungs-Verbrennungsmodus zurückgenommen wird.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (50) so konfiguriert ist, dass sie eine Abgasrückführungsmenge (EGR-Menge) der Abgasrückführung des Motors (1) zwischen dem ersten und dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus so unterscheidet, dass die Abgasrückführungsmenge (EGR-Menge) in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus größer ist als in dem ersten Schichtladungs-Verbrennungsmodus.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinrichtung (50) so konfiguriert ist, dass sie Kraftstoffzufuhr zu dem Motor (1) so steuert, dass ein homogenes Grund-Luft-Kraftstoff-Gemisch, das magerer ist als stöchiometrisch, über die Brennkammer verteilt wird, und dann das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter ist als stöchiometrisch und zur Zeit der Zündung um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, erzeugt, um den zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus zu erreichen, wenn der Anforderungszustand erfasst wird, wobei das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das magerer ist als stöchiometrisch, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch hat, das magerer ist als das stöchiometrische Verhältnis und das Flammenausbreitung ermöglicht.
Motorsystem nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (50) so konfiguriert ist, dass sie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des homogenen Grund-Luft-Kraftstoff-Gemischs, das magerer ist als stöchiometrisch und über die gesamte Brennkammer verteilt ist, in einen Bereich von 16 bis 28 einstellt.
Motorsystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinrichtung (50) so konfiguriert ist, dass sie das homogene Grund-Luft-Kraftstoff-Gemisch, das magerer ist als stöchiometrisch und gleichmäßig über die gesamte Brennkammer verteilt ist, erzeugt, indem sie das Kraftstoffeinspritzventil (5) bei einem Einlasshub ansteuert.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein Kraftstoffzufuhrsystem für den Motor (1) eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung (17) umfasst, die Kraftstoff in einen Einlasskanal (2) des Motors (1) zuführt, um das homogene Grund-Luft-Kraftstoff-Gemisch, das magerer ist als stöchiometrisch und homogen über die Brennkammer verteilt ist, in Reaktion auf ein Steuersignal der Steuereinrichtung (50) zu erzeugen.
Motorsystem nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung (50) so konfiguriert ist, dass sie die Kraftstoffzufuhrvorrichtung (17) innerhalb einer Periode ansteuert, die einen Auslasshub und den Einlasshub umfasst, um den Kraftstoff in den Einlasskanal (2) einzuspritzen und das homogene Luft-Kraftstoff-Gemisch, das magerer ist als stöchiometrisch und über die Brennkammer verteilt ist, zu erzeugen.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter ist als stöchiometrisch und zur Zeit der Zündung um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, sich in einem zündbaren, zerstäubten Zustand mit einem zündbaren Luft-Kraftstoff-Verhältnis befindet.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein durchschnittliches Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer sich in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus in einem Bereich zwischen 13,8 und 18 befindet.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein durchschnittliches Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus im Wesentlichen stöchiometrisch ist.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Motorsystem des Weiteren einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (8) umfasst, der in einem Auslasskanal (7) für den Motor (1) angeordnet ist, und die Steuereinrichtung (50) entsprechend einem Ausgangssignal des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (8) eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückführsteuerung durchführt, so dass ein durchschnittliches Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer einem stöchiometrischen Verhältnis entspricht.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Steuereinrichtung (50) so konfiguriert ist, dass sie feststellt, dass der Anforderungszustand vorliegt, wenn ein Startvorgang des Motors (1) erfasst wird.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Steuereinrichtung (50) so konfiguriert ist, dass sie den zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus unterdrückt, wenn eine Kolbentemperatur des Motors (1) niedriger ist als eine vorgegebene Temperatur.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Steuereinrichtung (50) den zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus unterdrückt, nachdem die katalytische Emissionssteuervorrichtung (9) aktiviert ist.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Steuereinrichtung (50) einen Motor-Verbrennungsmodus zeitlich schrittweise zwischen dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus und einem normalen Verbrennungsmodus ändert.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Steuereinrichtung (50) einen Zustands-Unterscheidungsabschnitt, der ein Anforderungssignal erzeugt, wenn der vorgegebene Anforderungszustand erfasst wird, und einen Steuerabschnitt umfasst, der den Motor (1) in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus betreibt, wenn das Anforderungssignal vorhanden ist.
Motorsystem nach Anspruch 18, wobei der Zustands-Unterscheidungsabschnitt den vorgegebenen Anforderungszustand erfasst, indem er einen Zustand eines Auslasssystems überwacht, das die katalytische Emissionssteuervorrichtung (9) umfasst, um festzustellen, ob sich die katalytische Emissionssteuervorrichtung (9) in einem aktiven Zustand befindet.
Motorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Motor-Steuereinrichtung (50) so konfiguriert ist, dass sie den Motor (1) in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus betreibt, indem sie eine erste und eine zweite Kraftstoffeinspritzung in jedem Motorbetriebszyklus für jeden Zylinder des Motors (1) durchführt, wobei die erste Kraftstoffeinspritzung vor dem Verdichtungshub ausgeführt wird, um ein homogenes Grund-Luft-Kraftstoff-Gemisch, das magerer ist als stöchiometrisch, in der gesamten Brennkammer zu erzeugen, und die zweite Kraftstoffeinspritzung bei dem Verdichtungshub ausgeführt wird, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter ist als stöchiometrisch und nur um die Zündkerze (6) herum vorhanden ist, zu erzeugen.
Motorsystem, das umfasst: einen Funkenzündungs-Verbrennungsmotor (1) mit Direkteinspritzung, der ein Kraftstoffeinspritzventil (5) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer des Motors (1) und eine Zündkerze (6) zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer umfasst; eine erste Einrichtung, die den Motor (1) in einem ersten Schichtladungs-Verbrennungsmodus betreibt, um ein im Wesentlichen stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen, das zur Zeit der Zündung in einem vorgegebenen Motorbetriebsbereich um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, indem die Kraftstoffeinspritz-Menge und der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung während eines Verdichtungshubes durch das Kraftstoffeinspritzventil (5) und der Zündzeitpunkt der Zündkerze (6) gesteuert werden; eine zweite Einrichtung, die einen vorgegebenen Anforderungszustand erfasst, der eine Temperaturerhöhung einer katalytischen Emissionssteuervorrichtung (9) anfordert, die in einem Auslasskanal (7) des Motors (1) angeordnet ist; und eine dritte Einrichtung, die den Motor (1) in einem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus betreibt, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter ist als stöchiometrisch, mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen, das fetter ist als ein stöchiometrisches Verhältnis und das zur Zeit der Zündung um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, indem die Kraftstoffeinspritz-Menge und der Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt der Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung bei dem Verdichtungshub durch das Kraftstoffeinspritzventil (5) und der Zündzeitpunkt der Zündkerze (6) gesteuert werden, wenn der vorgegebene Anforderungszustand erfasst wird, wobei das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter ist als stöchiometrisch und zur Zeit der Zündung um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, sich in einem zündbaren, zerstäubten Zustand mit einem zündbaren Luft-Kraftstoff-Verhältnis befindet, und eine vierte Einrichtung, die ein Kraftstoffzerstäubungsintervall von einer Zeit einer Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung an bis zu der Zeit der Zündung in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus länger einstellt als in dem ersten Schichtladungs-Verbrennungsmodus.
Motorsteuerverfahren zum Steuern eines Funkenzündungs-Verbrennungsmotors (1) mit Direkteinspritzung, der ein Kraftstoffeinspritzventil (5) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer des Motors (1) und eine Zündkerze (6) zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer umfasst, wobei das Motorsteuerverfahren umfasst: Betreiben des Motors (1) in einem ersten Schichtladungs-Verbrennungsmodus, um ein im Wesentlichen stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen, das zur Zeit der Zündung in einem vorgegebenen Motorbetriebsbereich um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, indem Kraftstoffeinspritz-Menge und Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung während eines Verdichtungshubes durch das Kraftstoffeinspritzventil (5) und der Zündzeitpunkt der Zündkerze (6) gesteuert werden; Erfassen eines vorgegebenen Anforderungszustands, der eine Temperaturerhöhung einer katalytischen Emissionssteuervorrichtung (9) anfordert, die in einem Auslasskanal (7) des Motors (1) angeordnet ist; und Betreiben des Motors (1) in einem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, das fetter ist als stöchiometrisch, mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erzeugen, das fetter ist als ein stöchiometrisches Verhältnis, und das zur Zeit der Zündung um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, indem die Kraftstoffeinspritz-Menge und der Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt der Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung bei dem Verdichtungshub durch das Kraftstoffeinspritzventil (5) und der Zündzeitpunkt der Zündkerze (6) gesteuert werden, wenn der vorgegebene Anforderungszustand erfasst wird, wobei das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter ist als stöichiometrisch und zur Zeit der Zündung um die Zündkerze (6) herum konzentriert ist, sich in einem zündbaren, zerstäubten Zustand mit einem zündbaren Luft-Kraftstoff-Verhältnis befindet, und Einstellen eines Kraftstoffzerstäubungsintervalls von einer Zeit einer Verdichtungshub-Kraftstoffeinspritzung an bis zu der Zeit der Zündung in dem zweiten Schichtladungs-Verbrennungsmodus länger als in dem ersten Schichtladungs-Verbrennungsmodus.