DE69935685T2

DE69935685T2 - Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE69935685T2
Application number: DE69935685T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Yamamoto; Kazuyoshi Nakane; Hironobu Sato; Jun Takemura; Hiromitsu Ando; Takashi Dogahara; Kinichi Iwachido
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: DE69935685D1; EP0936353A3; EP0936353B1; EP0936353A2; JP3348659B2; US6293095B1; KR19990072690A; JPH11294157A; KR100324175B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine(n) Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine bzw. -Verbrennungsmotor, der dafür angepasst ist, Kraftstoff direkt in eine Brennkammer einzuspritzen, und insbesondere einen solchen Direkteinspritzungs-Verbrennungsmotor, der geeignet aufgebaut ist, um die Abgabe von unverbranntem HC (Kohlenwasserstoff) unmittelbar nach einem Kaltstart des Motors zu reduzieren.
In letzter Zeit kamen für direkte Kraftstoffeinspritzung in Brennkammern angepasste Direkteinspritzungs-Verbrennungsmotoren zum praktischen Einsatz. In einem derartigen Direkteinspritzungs-Motor kann der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung beliebig eingestellt werden, was es ermöglicht, den Motor in einem extrem mageren Verbrennungsmodus unter Anwendung einer so genannten Schichtladeverbrennung während sich der Motor in einem Niedriglast-Betriebsbereich befindet, zu betreiben. In diesem Magerverbrennungsmodus wird der Kraftstoff während eines Kompressionshubs so eingespritzt, dass ein Luft/Kraftstoff-Gemisch dessen Kraftstoffkonzentration groß genug ist, um eine Zündung auszulösen, in der Nähe einer Zündkerze konzentriert ist, um somit die Schichtladeverbrennung zu ermöglichen.
Wenn der vorgenannte Direkteinspritzungsmotor seinen Betrieb in einem kalten Zustand beginnt, oder einen Kaltstart ausführt, möchte man, wie bei herkömmlichen Motoren, einem in einem Abgaskanal vorgesehene(n) Katalysator(en) in einem führen Stadium des Motorbetriebs aktivieren, um so die Menge von unverbranntem HC und anderen schädlichen Substanzen zu reduzieren, die an die Atmosphäre abgegeben werden.
Angesichts der vorstehenden Situation wurde in der Japanischen Patentoffenlegung Nr. 8-100638, die Direkteinspritzungsmotoren betrifft, vorgeschlagen, eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung während der Anfangsperiode bis zur Mittenperiode des Expansionshubs unabhängig von der Kraftstoffeinspritzung für die Hauptverbrennung durchzuführen und den durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung eingespritzten zusätzlichen Kraftstoff unter Nutzung einer Flammenausbreitung aus der Hauptverbrennung zu zünden, um so die Abgastemperatur zu erhöhen und das Aufwärmen des Katalysators für eine frühe Aktivierung des Katalysators zu beschleunigen.
Wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung getrennt von der Kraftstoffeinspritzung für die Hauptverbrennung wie vorstehend beschrieben durchgeführt wird, findet die Verbrennung des eingespritzten zusätzlichen Kraftstoffes über einen Bereich statt, der vom Inneren der Brennkammer bis zum Inneren der Auslassöffnung reicht. Wenn der gesamte zusätzliche Kraftstoff vollständig verbrannt wird, enthält das sich ergebende Abgas nahezu keinen unverbrannten HC.
Außerdem weist der Abgaskanal, durch welchen das Abgas aus der Brennkammer in die Auslassöffnung ausgegeben wird, eine ziemlich kleine Querschnittsfläche in dem Moment der Öffnung des Auslassventils auf. Nach der Öffnung des Auslassventils verlässt ein Hochdruckabgas die Brennkammer rasch in die Auslassöffnung und die Strömungsrate des Abgases ist in der Anfangsperiode der Öffnung des Auslassventils (bei der der Kurbelwellenwinkel in dem Bereich von 135° bis 180° liegt) ziemlich hoch. Das Abgas mit einer derart hohen Strömungsrate in der Anfangsperiode der Öffnung des Auslassventils wird als "Vorauslassgas" bezeichnet. Demzufolge erlischt in dem zusätzlichen Kraftstoff, der in der Brennkammer brannte, während er mit hoher Geschwindigkeit mit dem Vorauslassgas durch den engen Abgaskanal unmittelbar nach dem Öffnen des Auslassventils strömt, und ein Teil des zusätzlichen Kraftstoffes, der unverbrannt bleibt, wird als unverbrannter HC zusammen mit dem Vorauslassgas abgegeben.
Das aus der Brennkammer in die Auslassöffnung strömende Abgas wird in einem Abgassammler, mit welchen mehrere Auslassöffnungen verbunden sind, ausgegeben, und in dem Abgassammler mit von anderen Zylindern ausgegebenen Abgasen gemischt, um einem Katalysator(en), der (die) sich hinter dem Abgassammler befindet(n), zugeführt zu werden. Zu diesem Zeitpunkt kann selbst, wenn ein aus einem bestimmten Zylinder ausgegebenes Abgas unverbrannten HC enthält, das Abgas mit den Abgasen aus den anderen Zylindern vermischt werden, die noch brennen und es kann angenommen werden, dass der unverbrannte HC nachverbrannt wird.
In den bekannten Zylindereinspritzungs-Verbrennungsmotor besteht jedoch der Abgassammler aus einem Rohrverbindungs-Sammler 50 (der in diesem Beispiel für einen Vierzylindermotor verwendet wird), in welchem mehrere Rohre 55, 56, 57, 58 gemäß Darstellung in 17 miteinander verbunden sind. Um eine Reduzierung in der Ausgangsleistung aufgrund einer Interferenz von Abgasen zu verhindern, sind die Zylinder, in welchen eine nicht-zusammenhängende Verbrennung auftritt, miteinander über Rohre verbunden und die Rohre 55, 56; 57 und 58 sind mit minimalen Krümmungen ausgebildet, so dass die Abgase leicht aus den Rohren strömen können.
In dem Abgassammler 50 gemäß vorstehender Beschreibung strömt das mit einer hohen Strömungsrate aus den Auslassöffnungen 51, 52, 53, 54 ausgegebene Vorauslassgas durch ein entsprechendes von den Rohren 55, 56, 57, 58 ohne Vermischung mit Vorauslassgasen, die von den anderen Auslassöffnungen ausgegeben werden. Da die Rohre 55, 56, 57, 58, die sich von den entsprechenden Auslassöffnungen 51, 52, 53, 54 aus zu einem Vereinigungsabschnitt 59 erstrecken, mit einer relativ großen Rohrlänge ausgebildet sind, werden Verbrennungsgase, die brennen, wenn sie aus den Auslassöffnungen 51, 52, 53, 54 ausgegeben werden, während der Zeit, bis sie den Vereinigungsabschnitt 59 erreichen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, dass die Temperatur der Gase niedriger als die Temperatur ist, die eine Reaktion zwischen unverbranntem HC und Verbrennungsgasen ermöglicht, abgekühlt. Folglich ist es unwahrscheinlich, dass das unverbrannte HC enthaltende Abgas mit zur Nachverbrennung von unverbrannten HC noch brennendem Abgas gemischt wird.
18 stellt Druckänderungen innerhalb der Brennkammer und Änderungen in der Konzentration von unverbranntem HC zusammen mit einem Zündsignal und einem Kraftstoffeinspritzsignal in dem Zylindereinspritzungs-Verbrennungsmotor mit einem Abgassammler gemäß Darstellung in 17 dar. Von den Kurven, die Veränderungen in der Konzentration des unverbrannten HC darstellen, zeigt die durchgezogene Linie die Konzentration von unverbranntem HC am Punkt "a" in der Auslassöffnung 51 an, und die unterbrochene Linie zeigt die Konzentration von unverbranntem HC an einem Punkt "b" in den Vereinigungsabschnitt 59 an.
Gemäß Darstellung in 18 wird unverbrannter HC, der in der Auslassöffnung 51 unverbrannt bleibt, beispielsweise nur leicht in der Hochtemperaturatmosphäre des Abgases oxidiert, und sein Anteil nur geringfügig reduziert. Der unverbrannte HC aus der Auslassöffnung 51 wird nämlich aus dem Abgassammler in einen abstromseitigen Kanal ausgegeben, während seine Konzentration ohne Nachverbrennung in den Vereinigungs abschnitt 59 hoch bleibt, während er mit den Vorauslassgasen gemischt wird, die von den anderen Auslassöffnungen 52, 53, 54 ausgegeben werden.
19 stellt die Temperatur in der Mitte eines Katalysators während eines Kaltstartbetriebs des Motors und die an dem Auslass des Abgassammlers gemessene HC-Konzentration in Bezug auf den bekannten Direkteinspritzungsmotor mit einem Rohrverbindungs-Sammler und ein weiteres bekanntes Beispiel eines Verbrennungsmotors (der in 19 als MPI (Multipoint Injection (Einzeleinspritzungs)-Motor bezeichnet wird) dar.
Gemäß Darstellung in 19 kann, wenn eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung in den Direkteinspritzungsmotor gemäß Offenbarung in der vorstehend identifizierten Veröffentlichung durchgeführt wird, die für die Aktivierung des Katalysators durch Erhöhung seiner Mittelpunkttemperatur erforderliche Zeit deutlich im Vergleich zu einem bekannten MPI-Motor verringert werden, wobei aber immer noch ein Problem besteht, dass unverbrannter HC an die Atmosphäre ausgegeben wird, bis der Katalysator aktiviert ist. Ferner wird unverbrannter HC durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung zusätzlich zu dem durch die Haupteinspritzung erzeugten erzeugt, und daher ist die Menge von unverbranntem HC, die auftritt, bis der Katalysator aktiviert wird, größer als die des bekannten MPI-Motors.
Insbesondere wird, wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung über eine Periode von der Anfangsperiode bis zu der Mittenperiode des Expansionshubs, wie in der vorstehend identifizierten Veröffentlichung offenbart, ausgeführt wird, eine große Menge von unverbranntem HC erzeugt und ein Teil der Energie des zusätzlichen Kraftstoffs wird für die Erhöhung des Druckes in dem Zylinder verwendet, was zu Veränderungen in dem Abgabedrehmoment aufgrund des erhöhten Druckes in dem Zylinder führt. Außerdem wird die Temperatur des Abgases nicht so stark erhöht und daher schreitet die Aktivierung des Katalysators nicht mit hoher Geschwindigkeit fort.
Conference "Engine and Enviroment" '97, page 55-70 offenbart einen Zylindereinspritzungs-Verbrennungsmotor mit einer zweistufigen Verbrennung, in welcher Kraftstoff zweimal, das heißt, in einen Kompressionshub und einen Expansionshub eingespritzt wird, und US-A-4,104,881 offenbart eine Reaktionskammer zur Aufbewahrung des Abgases.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zylindereinspritzungs-Verbrennungsmotor bereitzustellen, in welchem ein Katalysator in einem frühen Stadium des Motorbetriebs aktiviert werden kann, und die Abgabe von unverbranntem HC bevor der Katalysator aktiviert wird, sicher reduziert weder kann. Diese Aufgabe kann durch die in den Ansprüchen spezifizierten Merkmale gelöst werden.
Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung einen Zylindereinspritzungs-Verbrennungsmotor bereit, der eine Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung mit einer Hauptkraftstoff-Einspritzsteuereinheit und eine Zusatzkraftstoff-Einspritzsteuereinheit enthält. Die Hauptkraftstoff-Einspritzsteuereinheit steuert eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung an, um den Kraftstoff direkt in eine Brennkammer einzuspritzen, so dass eine Vorgemischverbrennung oder Schichtladeverbrennung, abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors stattfindet. Wenn es notwendig ist, die Temperatur eines in einem Abgaskanal vorgesehenen Katalysators zum Reinigen des Abgases zu erhöhen, betreibt die Zusatzkraftstoff-Einspritzsteuereinheit die Einspritzeinrichtung, um zusätzlichen Kraftstoff während eines Expansionshubs einzuspritzen, nachdem die Kraftstoffeinspritzeinrichtung durch die Hauptkraftstoff-Einspritzsteuereinheit angesteuert wurde, um so die Temperatur des an den Katalysator gelieferten Abgases zu erhöhen. Der Motor enthält ferner einen Abgassammler, der eine Abgaskammer enthält, in welcher das Abgas verbleibt, und der zusätzliche Kraftstoff, der unverbrannt geblieben ist, wird in der Abgaskammer nachverbrannt.
Mit der vorstehenden Anordnung wird der zusätzliche Kraftstoff, der während des Expansionshubs eingespritzt wird verbrannt, so dass ein Abgas mit hoher Temperatur an den Katalysator geliefert werden kann. Das Abgas mit hoher Temperatur verbleibt in der Abgaskammer des Abgassammlers, in welcher zusammen mit dem Abgas eingeführter, unverbrannter HC nachverbrannt werden kann, und so die Menge des an die Atmosphäre abgegebenen unverbrannten HC erheblich reduziert werden kann, bis der Katalysator in den aktivierten Zustand gebracht ist. Aufgrund der Nachverbrennung des unverbrannten HC in der Abgaskammer kann die Temperatur des Abgases die bereits durch die Einspritzung des zusätzlichen Kraftstoffes während des Expansionshubs erhöht wurde, weiter erhöht werden, was die Erhöhung der Temperatur des Katalysators schnell macht.
Der Abgassammler ermöglicht die Nachverbrennung von unverbranntem HC in der Abgaskammer, während die Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff durchgeführt wird, und das Volumen der Abgaskammer wird bevorzugt so gesteuert, dass eine Reduzierung in der Temperatur des Abgases nach der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung vermieden wird.
Mit der vorstehenden Anordnung wird während der Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff unverbrannter HC, der in der Abgaskammer verbleibt, gut mit Verbrennungsgas vermischt, so dass der unverbrannte HC mit hohem Wirkungsgrad nachverbrannt werden kann, was zu einer reduzierten Abgabemenge von unverbranntem HC führt. Ferner wird das Volumen der Abgaskammer so gesteuert, dass eine Reduzierung der Temperatur des Katalysators aufgrund einer anderweitig möglichen Reduzierung in der Temperatur des Abgases nach der Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff minimiert wird. Somit kann die Abgabe von unverbranntem HC über die gesamte Betriebsperiode des Motors von dem Kaltstart bis zu dem Normalbetriebsbereich minimiert werden.
Die Zusatzkraftstoff-Steuereinheit steuert das Kraftstoffeinspritzventil so, dass es den Zusatzkraftstoff während oder nach einer Mittenperiode des Expansionshubs einspritzt. In diesem Falle wird ein Teil der Energie des Zusatzkraftstoffes nicht für eine Erhöhung des Druckes in dem Zylinder verwendet, und die Temperatur des Abgases kann in günstiger Weise erhöht werden, wodurch die Abgabe von unverbranntem HC weiter reduziert werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung weist die Abgaskammer des Abgassammlers ein Gesamtvolumen auf, das innerhalb eines Bereiches von etwa der 0,5 bis 1,0-fachen Größe des Gesamthubraums des Verbrennungsmotors liegt. In diesem Falle kann unverbannter HC mit einem weiter verbesserten Wirkungsgrad mit dem Ergebnis einer weiteren Reduzierung in der Abgabe von unverbranntem HC nachverbrannt werden.
Wenn der Verbrennungsmotor mehrere Zylinder enthält, die in mehrere Zylindergruppen unterteilt sind, hat die Abgaskammer des Abgassammlers für jede Zylindergruppe bevorzugt ein Volumen, das etwa die 0,5 bis 1,0-fache Größe des Hubraums jeder Zylindergruppe ist. Insbesondere hat die Abgaskammer ein Gesamtvolumen, das auf einem Bereich von etwa dem 0,6 bis 0,9-fachen der Größe des Gesamthubraums des Verbrennungsmotors festgelegt ist. Mit den vorab festgelegten Volumen der Abgaskammer kann der unverbrannte HC mit einem weiter verbes serten Wirkungsgrad nachverbrannt und die Abgabe von unverbranntem HC weiter reduziert werden.
Die Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnung ist bzw. sind:
1(a) und 1(b) schematische Ansichten, die einen Abgasstrom in einem Abgassammler eines Zylindereinspritzungs-Verbrennungsmotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 1(a) eine Ansicht ist, welche den Abgasstrom aus einer Seitenansicht des Sammlers darstellt und 1(b) eine Ansicht ist, die den Abgasstrom aus der Vorderseitenansicht des Sammlers darstellt.
2 eine schematische Ansicht, die den Aufbau des Zylindereinspritzungs-Verbrennungsmotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Steuersystem darstellt;
3 eine grafische Darstellung, die den Zeitpunkt des Zündungssignals und Kraftstoffeinspritzsignals des Direkteinspritzungsmotor der ersten Ausführungsform und Änderungen in der Temperatur und dem Druck in dem Zylinder in Bezug auf die Kolbenposition darstellt;
4(a) und 4(b) schematische Ansichten, die den Aufbau des Abgassammlers des Direkteinspritzungsmotors der ersten Ausführungsform darstellen, wobei 4(a) eine Seitenansicht des Abgassammlers ist, und 4(b) eine Vorderansicht des Abgassammlers ist.
5 eine grafische Darstellung ist, die den Zeitpunkt des Zündsignals und des Kraftstoffeinspritzsignals des Direkteinspritzungsmotors der ersten Ausführungsform und Änderungen in der Konzentration des unverbrannten HC und des Dru ckes in dem Zylinder in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel darstellt;
6 eine grafische Darstellung, die zeitliche Änderungen in der Temperatur in der Mitte von Katalysatoren und der Konzentration von unverbranntem HC unmittelbar nach einem Kaltstart des Motors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
7 eine grafische Darstellung, die zeitliche Änderungen in der Temperatur in der Mitte der Katalysatoren und die integrierte ausgegebene Menge von unverbranntem HC während eines Kaltstartbetriebs des Direkteinspritzungsmotors der ersten Ausführungsform in Bezug auf unterschiedliche Volumina einer Abgaskammer des Abgassammlers darstellt.
8 eine grafische Darstellung, die zeitliche Änderungen in der integrierten Abgabemenge von unverbranntem HC darstellt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem bestimmten Muster nach dem Kaltstart des Motors der ersten Ausführungsform verändert wird, in Bezug auf unterschiedliche Volumina der Abgaskammer des Abgassammlers;
9 eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen dem integrierten abgegebenen Wert von unverbranntem HC in dem Direkteinspritzungsmotor der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt, und das Verhältnis α (α = Volumen der Abgaskammer/Motorhubraum) des Volumens der Abgaskammer des Abgassammlers;
10(a) bis 10(c) Ansichten die nützlich zu Erläuterung der Abgaskammer des Abgassammlers des Direkteinspritzungsmotors der ersten Ausführungsform sind, wobei 10(a) eine Draufsicht auf den Abgassammler ist, 10(b) eine Vorderansicht des Sammlers ist, und 10(c) eine Seitenansicht des Sammlers ist;
11(a) bis 11(d) Ansichten, die verschiedene Anordnungen von Katalysatoren in dem Direkteinspritzungsmotor der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
12(a) und 12(b) schematische Ansichten, die den Strom von Abgasen in einem Abgassammler eines Direkteinspritzungsverbrennungsmotors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 12(a) eine Ansicht ist, die den Strom der Abgase aus einer Seitenansicht des Sammlers darstellt, und 12(b) eine Ansicht ist, die den Strom der Abgase aus der Vorderseitenansicht des Sammlers darstellt;
13(a) und 13(b) schematische Ansichten, die den Strom von Abgasen in einem Abgassammler eines Direkteinspritzungsverbrennungsmotors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 13(a) eine Ansicht ist, die den Strom der Abgase aus einer Seitenansicht des Sammlers darstellt, und 13(b) eine Ansicht ist, die den Strom der Abgase aus der Vorderseitenansicht des Sammlers darstellt;
14(a) und 14(b) schematische Ansichten, die den Strom von Abgasen in einem Abgassammler eines Direkteinspritzungsverbrennungsmotors gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 14(a) eine Vorderseitenansicht des Abgassammlers ist, und 14(b) eine Seitenansicht des Abgassammlers im Querschnitt darstellt;
15(a) und 15(b) schematische Ansichten, die den Aufbau eines modifizierten Beispiels des Abgassammler des Direkteinspritzungsverbrennungsmotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 15(a) eine Vorderseitenansicht des Abgassammlers ist, und 15(b) eine Seitenansicht des Abgassammlers im Querschnitt darstellt;
16 eine grafische Darstellung, die die Strömungsrate von Abgas darstellt, das aus der Brennkammer strömt, und die Konzentration von unverbranntem HC in Beziehung zu den Kurbelwellenwinkel;
17(a) und 17(b) schematische Ansichten, die den Aufbau eines Abgassammlers eines bekannten Direkteinspritzungsverbrennungsmotors darstellen, wobei 17(a) eine Seitenansicht des Abgassammlers ist, und 17(b) eine Vorderansicht des Abgassammlers ist.
18 eine grafische Darstellung, die den Zeitpunkt des Zündsignals des Kraftstoffeinspritzsignals des bekannten Direkteinspritzungsmotors und Veränderungen in der Konzentration von unverbranntem HC und des Drucks im Zylinder in Beziehung zu den Kurbelwellenwinkel darstellt;
19 eine Ansicht, die zeitliche Änderungen in der Temperatur in der Mitte des Katalysators und der Konzentration von unverbranntem HC unmittelbar nach einem Kaltstart des bekannten Direkteinspritzungsmotors darstellt.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 wird zuerst der Aufbau eines Direkteinspritzungsverbrennungsmotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gemäß Darstellung in 2 ist der Direkteinspritzungsmotor der vorliegenden Erfindung ein Viertakt-Ottomotor, dessen Betriebszyklus einen Ansaughub, einen Kompressionshub, einen Expansionshub und einen Auslasshub aufweist. Ferner ist der vorliegende Verbrennungsmotor ein Zylindereinspritztyp, in welchem Kraftstoff direkt in eine Brennkammer 1 eingespritzt wird.
Ein Einlasskanal 2 und ein Auslasskanal 3 sind mit der Brennkammer 1 so verbunden, dass diese Kanäle 2, 3 mit der Brennkammer 1 in einer Fluidverbindung stehen können. Ein Einlassventil ist für die Steuerung der Fluidverbindung zwischen dem Einlasskanal 2 und der Brennkammer 1 vorgesehen, und ein Auslassventil 5 ist für die Steuerung der Fluidverbindung zwischen dem Auslasskanal 3 und der Brennkammer 1 vorgesehen.
Ein (nicht dargestelltes) Luftfilter und Drosselklappenventil sind in einem anstromseitigen Abschnitt des Einlasskanals 2 angeordnet, und eine Einlassöffnung 12, die stromabseitig von dem Drosselklappenventil angeordnet ist, ist so mit der Brennkammer 1 verbunden, dass sie sich im Wesentlichen nach oben in Bezug auf die Kammer 1 erstreckt. In dem Auslasskanal 3 ist ein Abgassammler 10, der aus den Brennkammern 1 der entsprechenden Zylinder ausgegebenen Abgase sammelt mit einer Auslassöffnung 13 verbunden, und eine Abgasreinigungsvorrichtung 6 und ein (nicht dargestellter) Schalldämpfer sind abstromseitig von dem Abgassammler 10 angeordnet. Ein Sauerstoffsensor 14 zum Detektieren der Sauerstoffkonzentration des Abgases ist stromaufwärts von der Abgasreinigungsvorrichtung 6 angeordnet und ein Katalysatortemperatursensor 15 zum Detektieren der Temperatur in der Abgasreinigungsvorrichtung 6 ist innerhalb der Abgasreinigungsvorrichtung 6 vorgesehen. Ferner ist eine Einspritzeinrichtung (Kraftstoffeinspritzventil) 8 so angeordnet, dass seine Öffnung der Brennkammer 1 ausgesetzt ist.
In dem wie vorstehend beschriebenen aufgebauten Direkteinspritzungsmotor wird die Einlassluft, deren Menge von der Öffnung des (nicht dargestellten) Drosselklappenventils abhängt, in die Brennkammer 1 durch die Einlassöffnung 12 nach der Öffnung des Einlassventils 4 eingesaugt und mit Kraft stoff vermischt, der direkt aus der Einspritzeinrichtung 8 als Reaktion auf ein Signal aus einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 20 eingespritzt wird. Das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird durch einen von einer Zündkerze 7 erzeugten Zündfunken gezündet, um die Verbrennung zu starten und um Motordrehmoment zu erzeugen, und das sich ergebende Abgas wird dann aus der Brennkammer 1 in den Auslasskanal 3 nach der Öffnung des Auslassventils 5 ausgegeben. Nach der Entfernung von in dem Abgas enthaltenen drei schädlichen Komponenten, CO, HC, NOx, durch die Abgasreinigungsvorrichtung 6 passiert das Abgas den Schalldämpfer zur Reduzierung des Geräusches, um dann an Atmosphäre abgegeben zu werden.
Die Abgasreinigungsvorrichtung 6 enthält einen NOx-Katalysator 6A und einen Dreiwegekatalysator 6B, die miteinander kombiniert sind. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist, enthält das Abgas nahezu kein CO und HC, aber die NOx-Konzentration wird rasch erhöht. Der NOx-Katalysator 6A, der seine Funktion in einer Sauerstoffüberschussatmosphäre (magere Atmosphäre) durchführt, absorbiert in dem mageren Abgas enthaltenes NOx und reduziert dann das absorbierte NOx in einer reduzierenden Atmosphäre mit dem stöchiometrischen Verhältnis oder fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis und gibt es ab. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich oder kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist, wird in dem Abgas enthaltenes CO, HC, NOx durch die Dreiwegefunktion des Dreiwegekatalysators 6B entfernt. Wenn der NOx-Katalysator 6A aus einem NOx-Absorptionskatalysator wie in dieser Ausführungsform bestätigt, muss ein weiterer Dreiwegekatalysator stromaufwärts von dem NOx-Katalysator 6A vorgesehen sein. Der NOx-Katalysator 6A ist nicht notwendigerweise ein NOx-Absorptionstyp, sonder kann aus einem NOx-Katalysator eines selektiven Reduktionstyps bestehen, der selektiv NOx in einer Sauerstoffüberschussatmosphäre reduziert und entfernt.
Der Direkteinspritzungsverbrennungsmotor der vorliegenden Ausführungsform arbeitet in einem ausgewählten von drei Einspritzmodi, das heißt in einem Spätperioden-Einspritzmodus, einem Frühperioden-Einspritzmodus einem Stöchiometrie-Betriebsmodus. In dem Spätperioden-Einspritzmodus wird der Kraftstoff während eines Kompressionshubs (insbesondere in der letzten Hälfte des Kompressionshubs eingespritzt, um dem Motor, die Durchführung eines Magerverbrennungsbetriebs unter Anwendung einer Ladungsschichtverbrennung zu ermöglichen, um so den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. In den Frühperioden-Einspritzmodus wird der Kraftstoff während eines Saughubs (insbesondere in der ersteren Hälfte des Saughubs, eingespritzt, um den Verbrennungsmotor die Durchführung eines Magerverbrennungsbetriebs unter Nutzung einer Vormischverbrennung zu ermöglichen, um so eine große Ausgangsleistung mit relativ geringer Beschleunigung bereitzustellen. In dem Stöchiometrie-Betriebsmodus wird der Kraftstoff während eines Saughubs eingespritzt, um dem Motor die Durchführung eines stöchiometrischen Betriebs mittels einer Vormischverbrennung eines Luft/Kraftstoff-Gemisches mit dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu ermöglichen, um somit eine größere Ausgangsleistung als die in dem Frühperioden-Einspritzmodus erhaltene, bereitzustellen. Ein geeigneter von den vorstehenden Kraftstoffeinspritzmodi wird abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors ausgewählt.
Gemäß Darstellung in 2 enthält die ECU 20 des vorliegenden Direkteinspritzungsmotors eine Betriebsmodus-Auswahlvorrichtung 24, eine Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung 25 und eine Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung 28.
Die Betriebsmodus-Auswahlvorrichtung 24 wählt einen von den Betriebsmodi wie vorstehend in Abhängigkeit von der Motordrehzahl Ne und der Motorbelastung (das ist der durch schnittliche effektive Druck Pe in dieser Ausführungsform, kann aber auch der Betätigungswinkel des Gaspedals sein kann) aus.
Die Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung 25 enthält eine normale Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (Haupteinspritzsteuereinheit) 26, welche die Einspritzeinrichtung 8 ansteuert, um Kraftstoff einzuspritzen, der normal verbrannt wird, um so die gewünschte Motorausgangsleistung bereitzustellen, und eine Zusatzkraftstoff-Einspritzsteuereinheit 27, die die Einspritzeinrichtung 8 ansteuert, um zusätzlichen Kraftstoff während eines Expansionshubs einzuspritzen, um so die Katalysatoren 6A und 6B zu aktivieren.
Die normale Kraftstoffsteuereinheit 26 wählt ein Kraftstoffeinspritz-Steuerkennfeld aus, das mit dem von der Betriebsmodus-Auswahlvorrichtung 24 ausgewählten Betriebsmodus übereinstimmt und stellt die Kraftstoffeinspritzmenge und den Einspritzeitpunkt (das heißt, den Einspritzstartpunkt und den Einspritzendpunkt), abhängig von der Motordrehzahl Ne und dem mittleren effektiven Druck Pe unter Verwendung des ausgewählten Kraftstoffeinspritzsteuerkennfeldes ein.
Der vorliegende Motor enthält ferner einen Motordrehzahlsensor 16 und einen Gaspedalpositionssensor (APS) 17. Die Motordrehzahl Ne wird aus detektierter Information (oder berechneter Information) des Motordrehzahlsensors 16 erhalten, und der mittlere effektive Druck Pe wird auf der Basis der Motordrehzahl Ne und eines Betätigungswinkels (oder Niederdruckwinkel) θ des Gaspedals berechnet, der von dem Gaspedalpositionssensor 17 detektiert wird.
Die Zusatzkraftstoff-Einspritzsteuereinheit 27 dient zur Steuerung der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung, die für den Zweck der Erhöhung der Temperatur des Abgases durchgeführt wird, um so die Katalysatoren 6A, 6B zu aktivieren, die sich in nicht-aktivierten Zuständen befinden. Die Steuereinheit 27 ermittelt auf der Basis detektierter Information aus dem Katalysator 15, ob sich die Katalysatoren 6A, 68 in aktivierten Zuständen befinden oder nicht. Wenn sich die Katalysatoren 6A, 6B nicht in den aktivierten Zuständen befinden, steuert die Steuereinheit 27 die Einspritzeinrichtung 8 an, um zusätzlichen Kraftstoff einzuspritzen, der über eine Niedertemperaturoxidierungsreaktion (die später beschrieben wird) während des Expansionshubs zu verbrennen ist.
Insbesondere ermittelt die Zusatzkraftstoff-Steuereinheit 27, wenn die Temperatur Tc (die als "Katalysatortemperatur" bezeichnet wird) der Katalysatoren 6A, 6B oder ihrer Umgebung, welche von dem Katalysatortemperatursensor 15 detektiert wird, gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist Tc0 ist, dass sich die Katalysatoren 6A, 6B nicht in aktivierten Zuständen befinden, und steuert die Einspritzeinrichtung 8 so, dass zusätzlicher Kraftstoff während des Expansionshubs jedes Zylinders eingespritzt wird. In dem Direkteinspritzungsmotor der vorliegenden Ausführungsform wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (Expansionshubeinspritzung) so ausgeführt, dass die Einspritzung während der Mittenperiode des Expansionshubes (wenn sich der Kurbelwellenwinkel bei 90° ± 30°) oder nach der Mittenperiode jedes Zylinders beendet wird, wobei die erzeugten Menge von HC und Einflüsse auf das Abgabedrehmoment des Motors berücksichtigt werden. Die vorbestimmte Temperatur Tc0 kann der Aktivierungstemperatur des Katalysators 6A, 6B, das heißt, dem unteren Grenzwert des Aktivierungsbereichs der Katalysatoren gleichgesetzt werden. Es ist jedoch erwünscht, die vorbestimmte Temperatur Tc0 um einen geeigneten Wert α höher als die Aktivierungstemperatur (nämlich auf die vorbestimmte Temperatur Tc0 = Aktivierungstemperatur + α) im Hinblick auf die Regelungsverzögerung einzustellen. Der zusätzliche Kraftstoff kann auf der Basis der Kühlmitteltemperatur des Motors und der Zeit, die von dem Start des Motors aus verstrichen ist anstelle der Verwendung eingespritzt werden, statt dem Katalysatortemperatursensor 15 zu verwenden.
Die Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung 28 steuert den Zündzeitpunkt der Zündkerze 7 in Abhängigkeit von der Kraftstoffeinspritzsteuerung der normalen Kraftstoffeinspritzsteuereinheit 26. Die Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung 28 wählt ein Zündzeitpunkt-Steuerkennfeld, das mit dem von der Betriebsmodus-Auswahleinrichtung 24 ausgewählten Betriebsmodus übereinstimmt, und stellt den Zündzeitpunkt entsprechend der Kraftstoffeinspritzsteuerung der normalen Kraftstoffeinspritzeinheit 26 abhängig von der Motordrehzahl Ne und dem durchschnittlichen Effektivdruck Pe unter Verwendung des ausgewählten Zündzeitpunkt-Steuerkennfeldes ein.
Unter Bezugnahme auf 3 wird anschließend eine Reihe von Kraftstoff-Steueroperationen, die von der Haupteinspritzung bis zu der Expansionshubeinspritzung in dem vorliegenden Direkteinspritzungsmotor reichen, beschrieben.
Wenn der Motor seinen Betrieb in einem kalten Zustand beginnt und sich mit einer langsamen Drehzahl mit geringer Last dreht, wählt die Betriebsmodus-Auswahlvorrichtung 24 den Spätperioden-Einspritzmodus, so dass der Motor einen Magerverbrennungsbetrieb mittels Schichtladeverbrennung für einen verbesserten Kraftstoffverbrauch durchführt. In diesem Modus wird ein Kraftstoffeinspritzsignal von der normalen Kraftstoffeinspritzsteuereinheit 26 an die Einspritzeinrichtung 8 in der letzten Hälfte des Kompressionshubs angelegt, und die Einspritzeinrichtung 8 spritzt den Kraftstoff in die Brennkammer 1 ein, während das Kraftstoffeinspritzsignal daran angelegt ist. Diese Kraftstoffeinspritzung wird als die für die Erzielung der Hauptverbrennung gedachte "Haupteinspritzung" bezeichnet, ist.
Während der Haupteinspritzung wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 1 unter Druck gehalten, da der Kolben 9 abhängig von der Drehung der Kurbelwelle angehoben wird, und daher werden die Temperatur (Zylinderinnentemperatur) und der Druck (Zylinderinnendruck) innerhalb der Brennkammer 1 am Steigen gehalten, da der Kolben 9 das Gemisch in der Brennkammer 1 komprimiert.
In der letzten Periode des Kompressionshubs, in welchem die Kraftstoffeinspritzung aus der Einspritzeinrichtung 8 beendet wird, wird ein Zündsignal aus der Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung 28 an die Zündkerze 7 angelegt, und die Zündkerze 7 zündet das Luft/Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer 1 als Reaktion auf das Zündsignal.
In der vorstehend beschriebenen Operation bildet die aus der Einlassöffnung 12 einströmende Einlassluft einen vertikalen Wirbel (Rückwärtswalzenströmung) in der Brennkammer 1 und dieser vertikale Wirbel wird so genutzt, dass der aus der Einspritzeinrichtung 8 direkt eingespritzte Kraftstoff nur in der Nähe der an dem oberen zentralen Abschnitt der Brennkammer angeordneten Zündkerze 7 konzentriert wird. Demzufolge wird das stöchiometrische Verhältnis oder fette Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Nähe der Zündkerze aufgebaut, während ein extrem mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem von der Zündkerze 7 entfernten Kammerabschnitt aufgebaut wird. Unter dieser Bedingung ist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches in der Brennkammer insgesamt ausreichend größer (oder magerer) als das stöchiometrische Verhältnis, aber es findet eine Schichtladeverbrennung oder extrem magere Verbrennung in der Brennkammer 1 nach der Zündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches durch die Zündkerze 7 statt.
Als eine Folge der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches nehmen die Temperatur und der Druck in der Brennkammer 1 rasch zu und erreichen maximale Pegel, wenn die Position des Kolbens 9 etwas höher als sein oberer Totpunkt ist. Im Maximum wird die Temperatur wesentlicher höher als 1000 K. Die Druckzunahme in der Brennkammer 1 als eine Folge der Verbrennung wird in Motordrehmoment umgewandelt, welches über die Kurbelwelle abgegeben wird.
Sobald der Kolben 9 über den oberen Totpunkt läuft, findet der Übergang von dem Kompressionshub zu dem Expansionshub statt. Mit einer Abnahme in dem Kompressionsverhältnis während des Expansionshubs werden die Temperatur und der Druck in der Brennkammer 1 verringert, und die Temperatur in der Brennkammer 1 wird in der Nähe der Mittenperiode des Expansionshubs wesentlicher niedriger als 1000 K. Um die Katalysatoren 6A, 6B in dem frühen Stadium des Motorbetriebs zu aktivieren, muss die Temperatur in der Mitte der Katalysatoren 6A, 6B auf die Aktivierungstemperatur (etwa 570 K) angehoben werden. Dafür muss die Temperatur des an die Katalysatoren 6A, 6B gelieferten Abgases gleich oder höher als die Aktivierungstemperatur sein. Selbst wenn die Temperatur in der Brennkammer 1 oder die des Verbrennungsgases 1000 K oder höher als Folge der Hauptverbrennung erreicht, wird die Temperatur des Verbrennungsgases ständig niedriger, da das Volumen der Kammer während des nachfolgenden Expansionshubs zunimmt. Da das Volumen der Brennkammer 1 weiter zunimmt, wird es unmöglich, Abgas mit einer höheren Temperatur als der Aktivierungstemperatur an die Katalysatoren 6a, 6B zu liefern. Zusätzlich brennt der Kraftstoff in dem Luft/Kraftstoff-Gemisch mit einem hohen Wirkungsgrad dort, wo eine Schichtladeverbrennung (extrem magere), wie in dem vorliegenden Direkteinspritzungsmotor stattfindet, und daher besteht eine kleine Möglichkeit, dass der restliche Kraftstoff, der während des Expansionshubs unverbrannt bleibt, während des Expansionshubs verbrennt, um so das Verbrennungsgas auf einer hohen Temperatur (die höher als die Aktivierungstemperatur ist) zu halten.
In dem Direkteinspritzungsmotor der vorliegenden Erfindung liefert, wenn die von dem Katalysatortemperatursensor 15 detektierte Katalysatortemperatur Tc niedriger als die vorbestimmte Temperatur Tc0 ist, die Zusatzkraftstoff-Einspritzsteuereinheit 27 eine zusätzliches Kraftstoffeinspritzsignal an die Einspritzeinrichtung 8 an einem Punkt während der Mittenperiode des Expansionshubs (wo der Kurbelwellenwinkel 90° ± 30° ist) oder nach der Mittenperiode. Das Zusatzkraftstoff-Einspritzsignal wird länger als das Kraftstoffeinspritzsignal für die Haupteinspritzung eingestellt, und die Einspritzeinrichtung 8 spritzt zusätzlichen Kraftstoff direkt in die Brennkammer 1 ein, während das Zusatzkraftstoff-Einspritzsignal daran angelegt ist. Die Einspritzung des zusätzlichen Kraftstoffs wird auch als die für die Nachverbrennung einer unverbrannten Kraftstoffkomponente gedachte "Expansionshubeinspritzung" bezeichnet.
Der von der Einspritzeinrichtung 8 direkt in die Brennkammer 1 eingespritzte zusätzliche Kraftstoff wird unter Verwendung einer Hochtemperaturatmosphäre gezündet, ohne dass die Zündkerze 1 nochmals einen Funken erzeugen muss. Der gezündete zusätzliche Kraftstoff verbrennt mit einer relativ niedrigen Temperatur im Vergleich zu der Hauptverbrennung über eine Zeitperiode, die von dem späten Expansionshub bis zu dem Auslasshub reicht, um so die Temperatur der Brennkammer auf einem bestimmten Punkt über 1000 K anzuheben. Zu diesem Zeitpunkt wird die durch die Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoff erzeugte Energie nicht in eine Zunahme des Druckes in der Brennkammer 1 umgewandelt, sondern nur für die Erhöhung der Temperatur in der Brennkammer 1 verwendet. Somit führt die Verwendung des zusätzlichen Kraftstoffs nicht zur Veränderungen im Motordrehmoment.
Wie vorstehend beschrieben, wird der während oder nach der Mittenperiode des Expansionshubs eingespritzte zusätzliche Kraftstoff mit einem mageren Gemisch vermischt, das während der Hauptverbrennung nicht verbrannt wurde, aber in einem brennbereiten Zustand in einer Hochtemperaturatmosphäre gebracht wurde, wodurch ein Teil des Gemisches in einer speziellen Position in der Brennkammer sich selbst entzündet. Somit bringt die Einspritzung des zusätzlichen Kraftstoffes während oder nach der Mittenperiode des Expansionshubes eine Verbrennung bei einer relativ niedrigen Temperatur im Vergleich zu der Hauptverbrennung über eine Zeitperiode mit sich, die von dem letzteren Expansionshub bis zu dem Auslasshub reicht. Dieser Verbrennungstyp wird als "Niedertemperaturoxidationsreaktion" bezeichnet.
In der letzten Periode des Expansionshubs wird das Auslassventil 5 geöffnet und ein Hochtemperatur-Verbrennungsgas von 1000 K oder höher aus der Brennkammer 1 an den Auslasskanal 3 ausgegeben. Die Zusatzkraftstoff-Einspritzsteuereinheit 27 ist dafür eingerichtet, die Expansionshubeinspritzung so durchzuführen, dass sie die Temperatur des Abgases erhöht, bis die Temperatur Tc (Katalysatortemperatur) der Katalysatoren 6A, 6B, die von dem Katalysatortemperatursensor 15 detektiert wird, die vorbestimmte Temperatur Tc0 überschreitet.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Auslasskanal 3, durch welchem das Verbrennungsgas aus der Brennkammer 1 in die Auslassöffnung 13 ausgegeben wird, in dem Moment, in dem das Auslassventil 5 geöffnet wird, ziemlich eng, und die Strömungsrate oder Geschwindigkeit des Verbrennungsgases ist in der anfänglichen Öffnungsperiode des Auslassventils ziemlich hoch. Wenn die Atmosphärentemperatur beim Kaltstart des Mo tors niedrig ist, erlischt daher die Flamme des Teils des Verbrennungsgases, der eine hohe Temperatur in der Brennkammer 1 erreicht hat, während er mit hoher Geschwindigkeit zusammen mit einem Vorauslassgas aus dem engen Auslasskanal unmittelbar nach der Öffnung des Ventils strömt. Demzufolge wird der zusätzliche Kraftstoff, der unverbrannt bleibt, als unverbrannter HC zusammen mit dem Vorauslassgas ausgegeben.
In dem Direkteinspritzungsmotor der vorliegenden Ausführungsform der Abgassammler 10 gemäß Darstellung in 4 für den Zweck einer Nachverbrennung des unverbrannten HC aufgebaut. In dieser Ausführungsform ist der Direkteinspritzungsmotor ein Reihen-Vierzylinder-Motor.
Gemäß Darstellung in 4 enthält der Abgassammler 10 wechselseitig unabhängige Zweige 10B, die sich von entsprechenden Verbindungsstellen (Abgassammlereinlässen) 10a, die mit den Auslassöffnungen 13 der entsprechenden Zylinder des Motors verbunden sind. Diese Zweige 10B laufen aufeinander zu oder vereinen sich, um einen Sammelabschnitt 10C mit einem bestimmten Durchmesser zu erzeugen, welcher wiederum bei einem Sammlerauslass 10c mit einem stromabseitigen Abgaskanal vereint ist. Zusätzlich ist eine Abgaskammer 10A in einem Vereinigungsabschnitt vorgesehen, der sich von einem anstromseitigen Vereinigungsabschnitt 10b, bei welchem die aus den Verzweigungen 10b strömenden Gase beginnen, sich miteinander zu vereinen, bis zu einem stromabseitigen Vereinigungsabschnitt 10d (der den Sammelabschnitt 10c bereitstellt), bei welchem die Vereinigung der Gase abgeschlossen ist, erstreckt.
Gemäß Darstellung in den 1(a) und 1(b) ist die Abgaskammer 10A so geformt, dass die aus den Auslassöffnungen 13 strömenden Abgase mit der Innenwand der Abgaskammer 10A in im Wesentlichen rechten Winkeln kollidieren. Mit die ser Anordnung bildet das Abgas verschiedene Strömungsarten, wie zum Beispiel eine Wirbelströmung aufgrund der Kollision mit der Innenwand, einer Überlagerung mit Abgasen aus anderen Zylindern, und unterschiedlichen durch die Abgaspulsierung erzeugten Drücken.
Da die Abgaskammer 10A ein erheblich größeres Volumen als jedes Rohr des bekannten Abgassammlers hat, strömt das Abgas, das in die Abgaskammer 10A eintritt, weniger wahrscheinlich durch die Abgaskammer 10A hindurch direkt zu dem Sammlerauslass 10c, sondern hat die Tendenz, für eine Weile innerhalb der Abgaskammer 10A zu verbleiben.
In den 1(a) und 1(b) ist der Abgasstrom, der in die Abgaskammer 10A eintritt, schematisch durch Pfeile dargestellt. 1(a) und 1(b) zeigen den Fall, bei dem ein Abgas aus der Auslassöffnung, z.B. des zweiten Zylinders (der Zweite von links in 1(b)) strömt.
Obwohl Vorauslassgas mit einer hohen Strömungsrate wahrscheinlich durch die Abgaskammer 10A hindurchströmt, bleibt unverbrannter HC, der zusammen mit dem Vorauslassgas ausgegeben wird, aufgrund der vorstehend beschriebenen Form der Kammer 10A und aufgrund der reduzierten Geschwindigkeit des Vorauslassgases, die sich aus der Interferenz mit anderen Abgasen und der Abgaspulsation ergibt, in der Abgaskammer 10A. Der unverbrannte HC, der in der Abgaskammer 10A verbleibt wird mit Abgasen vermischt, die in die Kammer 10A aus demselben Zylinder und anderen Zylindern strömen, die sich an dem Vereinigungsabschnitt 10b treffen. Zu diesem Zeitpunkt brennt ein Teil des in dem Expansionshub eingespritzten zusätzlichen Kraftstoffes noch und die Temperatur eines Teils des Abgases, das noch brennt, überschreitet 1000 K, wie es in 3 dargestellt ist. Nach der Vermischung mit dem noch brennenden Abgas wird der in der Abgaskammer 10A verbleibende HC entzündet und beginnt mit der Verbrennung.
Das Abgas, das noch brennend in den Abgassammler 10 strömt, verbleibt auch in der Abgaskammer 10A, um den unverbrannten HC in der Abgaskammer 10A so nachzuverbrennen, dass dessen Verbrennungsreaktion fortgesetzt wird. Somit behält das Abgas seine Oxidationsfähigkeit (Brennfähigkeit), und seine Verbrennungswärme kann effektiv dazu genutzt werden, die Katalysatoren 6A, 6B in den aktivierten Zustand zu bringen.
Durch das Mischen des unverbrannten HC mit dem brennenden Abgas für die Nachverbrennung des HC wird die Menge des aus dem Abgassammler 10 ausgegebenen unverbrannten HC gemäß Darstellung in 5 reduziert.
In 5 ist der entlang der horizontalen Achse aufgetragene Kurbelwellenwinkel der des ersten Zylinders (des am weitesten links liegenden Zylinders in 4(b)) und durchgezogene Linien (von unten nach oben in 5) zeigen jeweils das für den ersten Zylinder angelegte Zündsignal und Kraftstoffeinspritzsignal, entsprechende Änderungen in dem Druck in der Brennkammer 1, und die Konzentration des unverbrannten HC an dem Punkt "a" in der Auslassöffnung 13 gemäß Darstellung in 4 an. Die unterbrochene Linie in 5 zeigt die Konzentration des unverbrannten HC am Punkt "b" des Sammlerauslasses 10c gemäß Darstellung in 4 dar. Vier durch die unterbrochene Linie dargestellte Spitzen repräsentieren die Konzentration des von jedem der vier Zylinder ausgegebenen unverbrannten HC. Von diesen vier Spitzen repräsentiert die einen Kurbelwellenwinkel von etwa 270° entsprechende Spitze die Konzentration des von dem ersten Zylinder ausgegebenen unverbrannten HC.
Gemäß Darstellung in 5 verbrennt unverbrannter HC in dem aus der Auslassöffnung 13 in den Abgassammler 10 strömenden Abgas in der Abgaskammer 10A und seine Konzentration ist erheblich im Vergleich dazu, wenn das Gas in den Abgassammler 10 strömt, wie es durch den Pfeil in 5 dargestellt ist, reduziert, wenn das Abgas aus dem Abgassammlerauslass 10c ausgegeben wird.
6 ist eine grafische Darstellung, die die Temperatur in der Mitte der Katalysatoren und die HC-Konzentration an dem Auslass des Abgassammlers darstellt, wenn der Motor seinen Betrieb in einem kalten Zustand beginnt, für einen Vergleich zwischen dem Direkteinspritzungsmotor der vorliegenden Erfindung mit dem Abgassammler (Kammersammler) 10 und dem bekannten Direkteinspritzungsmotor mit einem Rohrsammler gemäß Darstellung in 16. In dem Vergleich werden beide Motortypen mit derselben Drehzahl in einem Leerlaufzustand betrieben.
Gemäß Darstellung in 6 wird, während die Konzentration des von dem Motor der vorliegenden Ausführungsform ausgegebenen unverbrannten HC etwa auf demselben Wert, wie der des bekannten Motors (mit dem Rohrsammler) in der Anfangsperiode unmittelbar nach dem Start des Direkteinspritzungsmotors liegt, die HC-Konzentration dann rasch reduziert und wird nahezu zu 0 wenn etwa 10 Sekunden nach dem Start verstrichen sind. Dieser Wert der HC-Konzentration ist sogar niedriger, als der des bekannten MPI-Motors gemäß Darstellung in 18.
Die Konzentration des unverbrannten HC wird signifikant im Vergleich zu den bekannten Direkteinspritzungsmotor reduziert, da dass den unverbrannten HC enthaltende Abgas mit von anderen Zylindern ausgegebenen Abgasen in der Abgaskammer 10A vermischt wird, wenn es den Abgassammler 10 passiert, während es gleichzeitig auf hoher Temperatur gehalten wird. Ferner kann die Konzentration des unverbrannten HC aus folgenden Grund nahezu auf 0 reduziert werden: wenn neuer unverbrannter HC in die Abgaskammer 10A strömt, der sich bereits in dem brennenden Zustand befindet, verbrennt auch der neu eingeführte unverbrannte HC aufgrund der Flammenausbreitung und der Innenraum der Abgaskammer 10A wird aufgrund der kontinuierlichen Verbrennung des unverbrannten HC in einem Brennzustand gehalten und stellt somit einen hohen Wirkungsgrad in der Verbrennung des unverbrannten HC bereit.
Demzufolge wird die Temperatur des den Katalysatoren 6A, 6B zugeführten Abgases, welche bereits aufgrund der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung, die in der Mittenperiode des Expansionshubs durchgeführt wird, erhöht ist, nun weiter aufgrund der Nachverbrennung des unverbrannten HC in der Abgaskammer 10A erhöht. Demzufolge kann die Aufwärmung der Katalysatoren 6a, 6B durch das Abgas beschleunigt werden, und die Temperatur in der Mitte der Katalysatoren 6A, 6B wird mit einer mehrfach schnelleren Geschwindigkeit als der des bekannten Direkteinspritzungsmotors erhöht.
Wenn der Abgassammler 10 mit der Abgaskammer 10A gemäß vorstehender Beschreibung versehen ist, wird die Größe des Abgassammlers 10 um einen der Abgaskammer 10A entsprechenden Betrag mit einem Ergebnis einer Vergrößerung der Wärmekapazität und der Oberfläche vergrößert. Daher wird die Wärme des Abgases tendenziell an die Atmosphäre über den Abgassammler 10 abgegeben. Die Bereitstellung der Abgaskammer 10A ergibt nämlich einen vorteilhaften Effekt, dass die Abgastemperatur aufgrund der Nachverbrennung des unverbrannten HC in der Abgaskammer 10A erhöht wird, hat aber auch einen Nachteil, dass die Menge der abgegebenen Wärme aufgrund der vergrößerten Oberfläche erhöht ist.
Da zusätzlicher Kraftstoff zusätzlich zu der normalen Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, bis die Katalysatoren 6A, 6B aktiviert sind, wird die Temperatur des Abgases aufgrund der Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes und der Nachverbrennung des unverbrannten HC in der Abgaskammer 10A stark erhöht, und daher hat die von der Abgaskammer 10A abgegebene Wärme einen relativ kleinen Einfluss auf die Abgastemperatur. Wenn das Volumen oder die Größe der Abgaskammer 10A nicht groß genug ist, kann im Gegensatz dazu der unverbrannte HC aufgrund eines Mangels an Zeit für die Ansammlung der Abgase und Bewirkung einer ausreichenden Reaktion nicht effizient nachverbrannt werden.
Wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung mit den nun aktivierten Katalysatoren 6a, 6B beendet wird, und nur die normale Kraftstoffeinspritzungsteuerung durchgeführt wird, hat die Wärmeabgabe aus der Abgaskammer 10A einen größeren Einfluss auf die Abgastemperatur, nämlich, dass die Abgastemperatur aufgrund der Wärmeabgabe verringert wird. Natürlich wird diese Reduzierung in der Abgastemperatur deutlicher, wenn das Volumen der Abgaskammer 10 vergrößert ist.
Wenn die Abgastemperatur verringert wird, wird dementsprechend die Temperatur der Katalysatoren 6A, 6B verringert. Wenn die Schichtladeverbrennung (extrem magere Verbrennung) wie in dem Direkteinspritzungsmotor der vorliegenden Erfindung stattfindet, verbrennt insbesondere der Kraftstoff in dem Luft/Kraftstoff-Gemisch mit einem hohen Wirkungsgrad, um einen verbesserten Wärmewirkungsgrad zu erzeugen, weshalb ein Wärmeverlust an das Abgas reduziert wird, was zu einer verringerten Abgastemperatur im Vergleich zu dem herkömmlichen Motor führt. Wenn die Abgastemperatur aufgrund einer Wärmeabgabe aus der Abgaskammer 10A verringert wird, wird daher die Katalysatortemperatur niedriger, als die Aktivierungstempera tur, was zu einer Reduzierung des Reinigungswirkungsgrades der Katalysatoren 6A, 6B führt.
Demzufolge muss das Volumen der Abgaskammer 10A so festgelegt werden, dass in der Abgaskammer 10A verbleibender unverbrannter HC gut mit dem Verbrennungsgas während des Kaltstarts des Motors vermischt wird, so dass der unverbrannte HC mit hohem Wirkungsgrad nachverbrannt werden kann und somit seine Ausgabe verhindert werden kann, während gleichzeitig die Reduzierung in dem Reinigungswirkungsgrad der Katalysatoren 6A, 6B aufgrund einer Reduzierung der Abgastemperatur nach der Beendigung der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung minimiert wird. Mit anderen Worten, das Volumen der Abgaskammer 10A wird wie vorstehend beschrieben, so bestimmt, dass die Abgabe von unverbranntem HC über die gesamte Betriebsperiode des Motors von dem Kaltstart bis zum Normalbetrieb minimiert werden kann.
7 bis 9 stellen die Beziehung zwischen dem Volumen der Abgaskammer 10A und der ausgegebenen Menge von unverbranntem HC dar. Wenn das Volumen der Abgaskammer 10A durch das Verhältnis (α = Volumen der Abgaskammer/Motorhubraum) in Bezug auf den Hubraum des Motors dargestellt wird, repräsentiert die Linie A in 7 und 8 den Fall, in welchem α = 1,3 ist, repräsentiert die Linie B den Fall, in welchem α = 1,0 ist, repräsentiert die Linie C den Fall, in welchem α = 0,8 ist, repräsentiert die Linie D den Fall, in welchem α = 0,6 ist und repräsentiert die Linie E den Fall, in welchen α = 0,4 ist. Das Volumen der Abgaskammer 10A bedeutet das Volumen des Vereinigungsabschnittes, nämlich einen Abschnitt (abgedunkelter Bereich in 10(a)-10(c)) des Abgassammlers 10, ohne den mit den entsprechenden Zylindern an der Anstromseite verbundenen Zweigen 10B und dem Sammlungsabschnitt 10C mit einem verengten Kanal an der Abstromseite.
7 stellt zeitliche Änderungen in der Katalysatortemperatur (Temperatur in der Mitte des Katalysators) und dem integrierten Wert des unverbrannten HC an dem Auslass des Abgassammlers, wenn der Motor mit einem Betrieb in einem Kaltzustand arbeitet, in Bezug auf die Motordrehzahl dar.
Gemäß Darstellung in 7 nimmt die Katalysatortemperatur mit einer Zunahme in dem Verhältnis α ab, nämlich mit einer Zunahme in dem Volumen der Abgaskammer 10A. Dieses beruht darauf, dass die Oberfläche des Abgassammlers aufgrund der vergrößerten Abmessung der Abgaskamme 10A vergrößert wird, und dass die Wärme des Abgases wahrscheinlicher aus der Abgaskammer 10A mit der Folge einer Reduzierung der Abgastemperatur abgegeben wird.
Es dürfte sich verstehen, dass bei Vergleichen der Linie A (α = 1,3) mit der Linie B (α = 1,0), dass, wenn die Abgaskammer 10A ein bestimmtes Volumen aufweist, das größer als das der Linie B ist, die vergrößerte Oberfläche stark die Abgastemperatur beeinflusst, und die Katalysatortemperatur mit einer unerwünschten Verzögerung erhöht wird. Aus diesem Grunde ist das Verhältnis α bevorzugt gleich oder kleiner als 1,0.
Andererseits neigt der integrierte Wert des unverbrannten HC an dem Auslass des Abgassammlers zu einer Verringerung, wenn ein ausreichend großes Volumen der Abgaskammer 10A bereitgestellt wird. Es ist nämlich eine Abgaskammer 10A mit ausreichend großem Volumen erforderlich, um so zu ermöglichen, dass in der Abgaskammer 10A verbleibender unverbrannter HC gut vermischt wird, um eine günstige Verbrennung zu erzielen. Wenn die Abgaskammer 10A ein unzureichendes Volumen hat, wird der unverbrannte HC wahrscheinlich so wie er ist ohne Nachverbrennung ausgegeben.
8 stellt die integrierte ausgegebene Menge von unverbranntem HC an dem Auslass des Endrohres dar, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem vorbestimmten Muster oder Modus nach dem Kaltstart von 7 in Bezug auf die Motoren mit unterschiedlichen Volumina der Abgaskammer 10A verändert wird.
Gemäß Darstellung in den 8 zeigen die Linie C (α = 0,8) und die Linie D (α = 0,6) relativ niedrige Werte in der integrierten ausgegebenen Menge von unverbranntem HC an dem Auslass des Endrohres. In dem Falle der Linie C beruht dieses darauf, dass unverbrannter HC, der während des Kaltstarts erzeugt, durch die Nachverbrennung der Abgaskammer 10A gemäß Darstellung in 7 reduziert wird. In Falle der Linie D tritt die Reaktion für die Reduzierung des unverbrannten HC weniger wahrscheinlich in der Abgaskammer 10A als in dem Falle der Linie C auf, aber der Anteil der Wärmeabgabe aus der Abgaskammer 10A ist vergleichsweise klein, und die Katalysatortemperatur kann nach dem Aufwärmen des Motors auf einem hohen Wert gehalten werden.
Es ist jedoch anzumerken, dass Linie A (α = 1,3) und die Linie E (α = 0,4) relativ hohe Werte in der integrierte Ausgabemenge von unverbranntem HC zeigen. Im Falle der Linie A, in welchem das Volumen der Abgaskammer 10A größer als ein bestimmter Wert ist (zum Beispiel 1,0) wird die Katalysatortemperatur mit einer geringen Geschwindigkeit gemäß Darstellung in 7 erhöht, und der Reinigungswirkungsgrad der Katalysatoren 6A, 6B wird in dem frühen Zustand des Motorbetriebs nicht verbessert.
Im Falle der Linie E, in welchem das Volumen der Abgaskammer 10A klein ist, ist die Zunahmerate in der Katalysatortemperatur höher, als in dem Falle, wenn das Volumen groß ist, aber der unverbrannte HC und das in der Abgaskammer 10A verbleibende Verbrennungsgas werden aufgrund des kleinen Volumens der Kammer 10A nicht ausreichend miteinander vermischt, was zu einem reduzierten Wirkungsgrad in der Nachverbrennung des unverbrannten HC und zu einer erhöhten Ausgabemenge von unverbranntem HC an dem Auslass des Abgassammlers führt.
9 stellt die Beziehung zwischen dem Volumen der Abgaskammer 10A und der ausgegebenen Menge von unverbranntem HC über der gesamten Betriebsperiode des Motors, nämlich von dem Zeitpunkt an dem der Motor einen Kaltstart ausführt, bis zu dem Zeitpunkt an dem das Fahrzeug in einem bestimmten Fahrmodus fährt, dar. 9 stellt nämlich die Beziehung zwischen dem Volumen der Abgaskammer 10A, repräsentiert durch das Verhältnis α des Volumens der Abgaskammer zu dem Hubraum des Motors dar, und der integrierten Menge von unverbranntem HC, gemessen am Auslass des Endrohrs dar, nachdem das Fahrzeug für eine bestimmte Zeitdauer gefahren ist.
Gemäß Darstellung in 9 wird, wenn der Wert von α kleiner als 0,5 oder größer als 1,0 wird, der integrierte HC-Wert an dem Endrohr stark erhöht. Es hat sich daher als geeignet herausgestellt, dass Volumen der Abgaskammer 10A auf einem Bereich des 0,5 bis 1,0-fachen der Größe des Hubraums des Motors (α = 0,5 bis 1,0) festzulegen, um somit die integrierte ausgegebene Menge von unverbranntem HC auf einen ausreichend niedrigen Wert zu begrenzen. In dem Direkteinspritzungsmotor der vorliegenden Erfindung wird daher das Volumen der Abgaskammer 10A auf das 0,5 bis 1,0-fache der Größe des Motorhubraums eingestellt. Um die Abgabe von unverbranntem HC weiter einzuschränken, wird der Wert des Verhältnisses bevorzugt in dem Bereich von 0,6 bis 0,9 oder 0,7 bis 0,8 eingestellt. Obwohl der Einstellbereich des Verhältnisses α eine Basis bereitstellen kann, auf welcher die Abgabemenge von HC ermittelt wird, ist der vorstehende Bereich nicht kritisch, sondern kann leicht in Abhängigkeit von dem Motortyp oder dem Katalysator-Sollwert des abgegebenen HC usw. geändert werden.
Der Betrieb des wie vorstehend beschrieben gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten Direkteinspritzungsverbrennungsmotors wird in der nachstehenden Weise durchgeführt, wenn der Motor mit einem Betrieb mit einem Kaltstart beginnt.
Nach dem Start des Motors wählt die Betriebsmodus-Auswahlvorrichtung 24 der ECU 20 den Spätperioden-Einspritzmodus, so dass der Motor eine Magerverbrennung unter Verwendung einer Schichtladeverbrennung durchführt, um so den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Als Reaktion auf die Auswahl durch die Betriebsmodus-Auswahlvorrichtung 24 liegt die Normalkraftstoff-Einspritzsteuereinheit 26 ein Kraftstoffeinspritzsignal an die Einspritzeinrichtung so an, dass die Einspritzeinrichtung 8 Kraftstoff für die Hauptverbrennung in der letzteren Hälfte des Kompressionshubs einspritzt.
Die Einspritzeinrichtung 8 spritzt den Kraftstoff direkt in die Brennkammer 1 für die Hauptverbrennung, während das Kraftstoffeinspritzsignal daran angelegt ist. Der direkt von der Einspritzeinrichtung 8 eingespritzte Kraftstoff wird nur in der Nähe der in dem oberen mittigen Teil der Brennkammer 1 angeordneten Zündkerze 7 bei Vorhandensein einer von der aus der Einlassöffnung 12 angesaugten Einlassluft erzeugten vertikalen Verwirbelung (Rückwärtswalzenströmung) konzentriert.
In der letzten Periode des Kompressionshubs, in welcher die Kraftstoffeinspritzung aus der Einspritzeinrichtung 8 be endet wird, liefert die Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung 28 ein Zündsignal an die Zündkerze 7, so dass die Zündkerze 7 das Luft/Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer 1 zündet. Das durch die Zündkerze 7 gezündete Gemisch macht eine extrem magere Schichtladeverbrennung durch. Der Druck in der Brennkammer 1 wird durch diese Hauptverbrennung erhöht und drückt den Kolben 9 nach unten, um somit ein Motordrehmoment als eine durch die Kurbelwelle zu übertragende Ausgangsgröße zu erzeugen.
Während des vorstehenden Betriebs liefert, wenn die Temperatur Tc (Katalysatortemperatur) der Abgasreinigungsvorrichtung 6, die von dem Katalysatortemperatursensor 15 detektiert wird, niedriger als eine vorbestimmte Temperatur Tc0 ist, die Zusatzkraftstoff-Einspritzsteuereinheit 27 ein zusätzliche Kraftstoffeinspritzsignal an die Einspritzeinrichtung 8 während der Mittenperiode des Expansionshubs (in welchem sich der Kurbelwellenwinkel bevorzugt bei 90° ± 20° befindet. In Reaktion auf das Zusatzkraftstoff-Einspritzsignal spritzt die Einspritzeinrichtung 8 zusätzlichen Kraftstoff direkt in die Brennkammer 1 ein. Der durch die Einspritzeinrichtung 8 eingespritzte zusätzliche Kraftstoff wird durch die Niedertemperaturoxidationsreaktion während des Expansionshubs ohne Zündung durch die Zündkerze 7 entzündet und brennt mit einer relativ niedrigen Temperatur im Vergleich zur Hauptverbrennung über eine Zeitdauer, die von der letzten Hälfte des Expansionshubes bis zu dem Auslasshub dauert, um dadurch die Temperatur in der Brennkammer 1 auf über 1000 K zu erhöhen.
Das Auslassventil 5 wird in der letzten Periode des Expansionshubs geöffnet und Hochtemperatur-Verbrennungsgas aus der Brennkammer 1 in die Auslassöffnung 13 ausgestoßen.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Flamme eines Teils des Verbrennungsgases gelöscht, während es mit hoher Geschwindigkeit als Vorauslassgas durch den engen Auslasskanal 3, unmittelbar nach der Öffnung des Auslassventils 5 strömt, und der zusätzliche Kraftstoff, der unverbrannt geblieben ist, wird als unverbrannter HC in die Auslassöffnung 13 zusammen mit dem Vorauslassgas ausgegeben.
Das aus der Brennkammer 1 ausgegebene Vorauslassgas strömt durch die Auslassöffnung 13 in den Abgassammler 10 und der zusammen mit dem Vorauslassgas ausgegebene unverbrannte HC verliert seine Geschwindigkeit und Richtung aufgrund einer Interferenz mit anderen Abgasen und unterschiedlichen Drücken aufgrund der Abgaspulsation. Demzufolge bildet der unverbrannte HC verschiedene Strömungstypen, wie zum Beispiel eine Wirbelströmung und verbleibt in der Abgaskammer 10A.
Dann strömen anschließend aus demselben Zylinder und die von anderen Zylindern ausgegebene Abgase, die sich an dem Vereinigungspunkt 10b treffen, kontinuierlich in die Abgaskammer 10A, und der in der Abgaskammer 10A verbleibende unverbrannte HC wird mit diesen Abgasen vermischt. In einigen von diesen Abgasen ist ein Teil des zusätzlich während des Expansionshubs eingespritzten Kraftstoffes noch ungelöscht brennend, und der in der Abgaskammer 10A verbleibende unverbrannte HC wird mit dem Abgas, das noch brennt, vermischt und beginnt nachzuverbrennen.
Wenn zusätzlicher unverbrannter HC in die Brennkammer 10 strömt, die sich bereits in dem brennenden Zustand aufgrund der Nachverbrennung des existierenden HC befindet, beginnt der neue eingeführte HC ebenfalls nachzuverbrennen. Somit brennt in die Abgaskammer 10A strömender HC aufgrund einer in der Kammer 10A erzeugten Kettenreaktion, und hält somit die Innenseite der Brennkammer 10 während der gesamten Zeit in einem brennenden Zustand. Die Temperatur des Abgases wird sogar auf einen noch höheren Wert aufgrund der Verbrennung des unverbrannten HC erhöht.
Die Abgastemperatur deren Temperatur durch die Expansionshubeinspritzung erhöht wurde, wird aus der Brennkammer in den Abgassammler 10 ausgegeben, in welchem die Temperatur aufgrund der Nachverbrennung des unverbrannten HC weiter erhöht wird, und wird dann an die Katalysatoren 6A, 6B der Abgasreinigungsvorrichtung 6 geliefert, um so die Temperatur in der Mitte der Katalysatoren 6A, 6B zu erhöhen. Wenn die Temperatur (Katalysatortemperatur) Tc in der Abgasreinigungsvorrichtung 6, die durch den Katalysatortemperatur 15 detektiert wird, die vorbestimmte Temperatur Tc0 überschreitet, entscheidet die Zusatzkraftstoff-Einspritzsteuereinheit 27, dass sich die Katalysatoren 6A, 6B in den aktivierten Zustand befindet und beendet die Expansionshubeinspritzung.
Wie vorstehend beschrieben, führt, wenn die von dem Katalysatortemperatursensor 15 detektierte Mitteltemperatur der Katalysatoren 6A, 6B niedriger als die Aktivierungstemperatur ist, die zusätzliche Kraftstoffeinspritzsteuereinheit 27 eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung während der Mittenperiode des Expansionshub (wenn der Kurbelwellenwinkel 90° ± 30° ist) oder nach der Mittenperiode, getrennt von der Kraftstoffeinspritzung für die Hauptverbrennung durch. Der zusätzliche Kraftstoff wird somit durch die Niedertemperaturoxidierungsreaktion während des Expansionshubs gezündet und somit kann die Temperatur des Verbrennungsgases, die sich in dem Expansionshub verringert hat, wieder angehoben werden. Da sich ergebende Hochtemperatur-Verbrennungsgas wird an die Katalysatoren 6A, 6B geliefert, so dass die Katalysatoren 6A, 6B in vorteilhafter Weise in dem frühen Zustand des Motorbetriebs aktiviert werden können.
Bei einem Teil des Verbrennungsgases erlischt dessen Flamme, während es mit einer hohen Geschwindigkeit als Vorauslassgas durch den engen Auslasskanal 3 zwischen der Brennkammer 1 und der Auslassöffnung 13 unmittelbar nach der Öffnung des Auslassventils 5 strömt, und der zusätzliche Kraftstoff, der unverbrannt bleibt, wird als unverbrannter HC zusammen mit dem Vorauslassgas abgegeben. Da der Abgassammler 10 mit der Abgaskammer 10A versehen ist, kann der in den Abgassammler 10 strömende unverbrannte HC in der Abgaskammer 10A verbleiben oder stehen bleiben, und mit dem Abgas, das noch in dieser Kammer 10A brennt, zur Nachverbrennung des unverbrannten HC vermischt werden.
Aufgrund der Nachverbrennung des unverbrannten HC in der Abgaskammer 10A kann die Konzentration von unverbranntem HC in dem Abgas erheblich reduziert werden, und somit ermöglicht werden, ein herkömmliches Problem zu lösen, nämlich erheblich die Ausgabe von unverbranntem HC in die Atmosphäre zu reduzieren, bis die Katalysatoren 6A, 6B aktiviert werden. Die vorliegende Erfindung hat als einen weiteren Vorteil, dass Ruß zusätzlich zu unverbranntem HC durch die umgebende hohe Temperatur des Abgases verbrannt werden kann, und somit der Anteil des in dem Abgas enthaltenen Rußes erheblich reduziert werden kann.
Die Nachverbrennung von unverbranntem HC in der Abgaskammer 10A führt auch zu einer weiteren Zunahme in der Temperatur des Abgases, die bereits durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung in der Mittenperiode des Expansionshubs erhöht ist. Dieses beschleunigt vorteilhaft die Aufwärmung der Katalysatoren 6A, 6B und beschleunigt weiter deren Aktivierung. Dieses erübrigt auch den Einbau eines Katalysators in der Umgebung des Abgassammlers, welche im Hinblick auf die Wärme schwierig ist, oder eine Notwendigkeit einen teuren e lektrisch beheizten Katalysator vorzusehen. Somit kann lediglich die bekannte Abgasreinigungsvorrichtung (Unterbodenkatalysator) verwendet werden, um die gewünschte Abgasreinigungsfunktion zu erreichen.
In der vorliegenden Erfindung ist insbesondere der Direkteinspritzungsmotor so aufgebaut, dass das Volumen der Abgaskammer 10A in einem Bereich von etwa dem 0,5 bis 1,0-fachen der Größe des Hubraums des Motors festgelegt ist. Wenn der Motor mit einem Betrieb in einem kalten Zustand beginnt, wird daher unverbrannter HC, der in der Abgaskammer 10A verbleibt mit dem Verbrennungsgas vermischt und zu einer Nachverbrennung mit hohem Wirkungsgrad veranlasst, so dass die Abgabe von unverbranntem HC erheblich reduziert werden kann. Ferner wird eine Absenkung der Katalysatortemperatur unter die Aktivierungstemperatur verhindert. Somit kann die Abgabe von unverbranntem HC auf den minimalen Pegel über der gesamten Betriebsperiode des Motors, die von dem Kaltstart bis zu dem Normalbetrieb reicht, reduziert werden.
In dem Direkteinspritzungsmotor der vorliegenden Erfindung liegt der Abgassammler 10 in der Form einer Schale vor, die durch Anbringen vorderer und hinterer Elemente aneinander hergestellt wird, und die Abgaskammer 10 wird durch den Verbindungsabschnitt gebildet, in welchem Gasströme aus mehreren Zylindern aufeinander treffen oder sich vereinen. Somit kann der Abgassammler 10 leicht mit relativ niedrigen Kosten hergestellt werden, um die vorstehend beschriebenen Effekte bereitzustellen.
Die Form des Abgassammlers 10 gemäß Darstellung in 4 und 1 ist lediglich ein Beispiel, und der Abgassammler 10 kann in einer anderen Form ausgebildet sein, vorausgesetzt, dass die aus den Auslassöffnungen 13 strömenden Abgase eine turbulente Strömung bilden und in der Abgaskammer 10A verbleiben. Beispielsweise kann der Abgassammler des Direkteinspritzungsmotors gemäß Darstellung in den zweiten und dritten Ausführungsformen wie nachstehend beschrieben aufgebaut sein.
Der Aufbau des Abgassammlers des Direkteinspritzungsmotors gemäß der zweiten Ausführungsform wird nun beschrieben. Gemäß Darstellung in 12(a) und 12(b) enthält der Abgassammler 30 eine Abgaskammer 30A mit einer zylindrischen Form, und ein anstromseitiger Abschnitt 30b ist mit dem mittleren Teil der Seitenfläche der zylindrischen Abgaskammer 30A, wie in der vertikalen Richtung in 12(a) zu sehen, verbunden oder vereint. Bei der so geformten Abgaskammer 30A strömt ein Abgas aus einem anstromseitigen Vereinigungsabschnitt 30b in die Abgaskammer 30A in der diametralen Richtung der Kammer 30A und kollidiert dann mit der Innenwand gegenüber dem anstromseitigen Vereinigungsabschnitt 30b. Nach der Kollision mit der Innenwand der Abgaskammer 30A kehrt das Abgas entlang der oberen Wand oder unteren Wand der Kammer 30A unter Ausbildung einer Wirbelströmung um, die sich in der Längsrichtung des Zylinders verteilt und somit in der Abgaskammer 30A verbleibt. Das Volumen der Abgaskammer 30A wird erwünschtermaßen auf das etwa 0,5 bis 1,0-fache der Größe des Motorhubraums, wie in der ersten Ausführungsform eingestellt.
In dem Direkteinspritzungsmotor der zweiten Ausführungsform mit dem wie vorstehend beschriebenen aufgebauten Abgassammler 30 strömt das von der Auslassöffnung 13 jedes Zylinders zu Beginn ausgestoßene Vorauslassgas aus dem anstromseitigen Vereinigungsabschnitt 30b in die Abgaskammer 30A in einer diametralen Richtung zur Abgaskammer 30A und kollidiert dann in rechten Winkeln mit der Innenwand gegenüber dem anstromseitigen Verbindungsabschnitt 30b. Aufgrund der Kollision verliert der zusammen mit den Vorauslassgasen ausgegebe ne unverbrannte HC seine ursprüngliche Geschwindigkeit und Richtung und dreht sich entlang der oberen Wand oder unteren Wand der Kammer 30A, um eine Wirbelströmung auszubilden, die in der Längsrichtung des Zylinders diffundiert. Auf diese Weise verbleibt der unverbrannte HC in der Abgaskammer 30A.
Wie in dem Abgassammler 10 der ersten Ausführungsform wird der unverbrannte HC, der in der Abgaskammer 30A verbleibt, mit dem Abgas vermischt, das noch brennt, so dass der unverbrannte HC bei Vorhandensein des brennenden Gases nachverbrannt werden kann. Ferner kollidiert das in die Abgaskammer 30A strömende Vorauslassgas mit der Innenwand der Kammer in rechten Winkeln, und daher verlangsamt sich der unverbrannte HC in einem großen Ausmaß und neigt dazu, in der Abgaskammer 30A zu verbleiben. Außerdem ist das Volumen der Abgaskammer 30 der zweiten Ausführungsform größer als das der Abgaskammer 10A der ersten Ausführungsform eingestellt, und es wird vorteilhaft verhindert, dass unverbrannter HC den Abgassammler 30 zusammen mit dem Vorauslassgas passiert.
Anschließend wird der Abgassammler des Direkteinspritzungsmotors gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Gemäß Darstellung in 13(a) und 13(b) enthält der Abgassammler 40 eine Abgaskammer 40A mit einer zylindrischen Form ähnlich dem Abgassammler 30 der zweiten Ausführungsform, und ihr anstromseitiger Vereinigungsabschnitt 40B ist mit dem oberen Teil der Seitenfläche der zylindrischen Abgaskammer 40A in der vertikalen Richtung in 13(a) betrachtet verbunden. Mit dieser Anordnung kehrt ein Abgas, das in die Abgaskammer 40A strömt, entlang der Innenwand der Abgaskammer 40A in der Umfangsrichtung um, um eine Wirbelströmung auszubilden, die in der Längsrichtung der Zylinder diffundiert und somit in der Abgaskammer 40A verbleibt. Das Volumen der Abgaskammer 40A ist erwünschtermaßen auf das 0,5 bis 1,0-fache der Größe des Motorhubraums, wie in der ersten Ausführungsform eingestellt.
In dem Direkteinspritzungsmotor der dritten Ausführung mit dem wie vorstehend beschriebenen aufgebauten Abgassammler 40 kehrt Vorauslassgas, das aus der Auslassöffnung 13 jedes Zylinders in die Abgaskammer 40A des Abgassammlers 40 strömt, entlang der Innenwand der Abgaskammer 40A in der Umfangsrichtung um, um eine Wirbelströmung aufzubilden, die in der Längsrichtung der Zylinder diffundiert, und zusammen mit dem Vorauslassgas abgegebener unverbrannter HC verbleibt in der Abgaskammer 40A.
Wie in dem Abgassammler 10 der ersten Ausführungsform und dem Abgassammler 30 der zweiten Ausführungsform wird der unverbrannte HC, der in der Abgaskammer 40A verbleibt mit noch brennendem Abgas vermischt, so dass der unverbrannte HC nachverbrannt wird. Ferner wird, da der unverbrannte HC in der Abgaskammer 40A, welcher entlang der Innenwand in der Umfangsrichtung umkehrt, um eine Wirbelströmung auszubilden, gleichmäßig in der Abgaskammer 40A verbleibt, der unverbrannte HC vorteilhaft mit dem brennenden Abgas mit noch höherem Wirkungsgrad vermischt.
In der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht gemäß nachstehender Beschreibung ein Abgassammler aus einem bekannten Rohrverbindungs-Abgassammler, und einem mit dem abstromseitigen Ende dieses Abgassammler verbundenen Vereinigungsabschnitt, und ein vorderer Katalysator ist in dem Vereinigungsabschnitt vorgesehen. Der Abgassammler enthält eine in dem Vereinigungsabschnitt vorgesehene anstromseitig vor dem vorderen Katalysator anzuordnende Abgaskammer.
Der Aufbau des Direkteinspritzungsmotors gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung wird im Detail beschrieben. Gemäß Darstellung in 14(a) und 14(b) besteht ein Abgassammler 47 der vorliegenden Erfindung aus einem Abgassammlerkörper (Rohrverbindungs-Abgassammler) 45 und einem einen einem mittleren Abschnitt mit großem Durchmesser aufweisenden und stromabseits von dem Abgassammlerkörper 45 angeordneten Vereinigungsabschnitt 46. Ein FCC (vorderer Katalysator) 48 ist in dem Vereinigungsabschnitt 46 vorgesehen, und eine Abgaskammer 46A mit einem erweiterten Volumen ist anstromseitig vor dem FCC 48 in dem Vereinigungsabschnitt 46 ausgebildet. Im Betrieb wird der unverbrannte HC in der Abgaskammer 46A verbrannt.
Da der unverbrannte HC unmittelbar vor dem FCC 48 nachverbrennt, erreicht Abgas, das unmittelbar davor nachverbrannt wurde, den Katalysator mit einem geringeren durch Wärmeabgabe an die Außenseite bedingten Verlust an Wärmeenergie, was zu einer Zunahme in der Wärmeenergie führt, die für die Erhöhung der Temperatur des FCC 48 verwendet werden kann. Demzufolge kann die abgegebene Menge von unverbranntem HC aufgrund seiner Nachverbrennung reduziert werden und gleichzeitig kann der FCC 48 in einem frühen Stadium des Motorbetriebs aktiviert werden.
Unterdessen ist der Aufbau der Abgasreinigungsvorrichtung (Unterbodenkatalysator) nicht auf den von 2 beschränkt, in welchem der NOx-Katalysator 6A in dem vorderen oder anstromseitigen Abschnitt der Vorrichtung angeordnet ist, und der Dreiwegekatalysator 6B in dem hinteren oder abstromseitigen Abschnitt der Vorrichtung angeordnet ist. Beispielsweise kann die Abgasreinigungsvorrichtung, wie in 11(a) bis 11(d) dargestellt, abhängig von der NOx-Absorption und Abgabeeigenschaften des NOx-Katalysators aufgebaut sein. Wie in 11(a) dargestellt, kann die Abgasreinigungsvorrichtung einen Katalysator mit den Funktionen sowohl des NOx-Katalysators, als auch des Dreiwegekatalysators enthalten. In dem Beispiel von 11(c) ist ein Dreiwegekatalysator in dem vorderen Teil (Anstromseite) der Abgasreinigungsvorrichtung angeordnet und ein NOx-Katalysator ist in dem hinteren Teil (Abstromseite) der Vorrichtung angeordnet. In dem Beispiel von 11(d) können zwei Dreiwegekatalysatoren anstrom- und abstromseitig von einem NOx-Katalysator angeordnet sein. Die Anordnung gemäß Darstellung in 11(b) ist identisch mit der von 2.
In jedem von den Direkteinspritzungsmotoren der ersten bis dritten Ausführungsformen kann ein vorderer Katalysator abstromseitig von dem Abgassammler wie in der vierten Ausführungsform vorgesehen sein. 15 stellt ein Beispiel dar, in welchem der FCC (vordere Katalysator) 48 mit dem Abgassammlerauslass 10c des Abgassammlers 10 der ersten Ausführungsform verbunden ist. In diesem Falle wird die Distanz zwischen dem abstromseitigen Vereinigungsabschnitt 10d und dem Auslass 10c des Abgassammlers 10, nämlich die Länge des Sammlungsabschnittes 10C verkürzt (in 15 ist die Distanz im wesentlichen 0), so dass die Abgaskammer 10A des Abgassammlers 10 mit der Abgaskammer 46A auf der Anstromseite des FCC 48 zusammen arbeitet, um nur eine Abgaskammer auszubilden. In diesem Falle bleibt der unverbrannte HC für eine längere Zeitdauer in der Abgaskammer, so dass er für eine bessere Reaktion gut vermischt wird, was zu einer weiteren Reduzierung in dem unverbrannten HC und einer führen Aktivierung des FCC 48 führt.
Es dürfte sich verstehen, dass die dargestellten Ausführungsformen nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt sind, sondern anderweitig mit verschiedenen weiteren Änderungen oder Modifikationen ohne Abweichung von dem Prinzip der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können. Obwohl Reihen-Vierzylinder-Motoren in den dargestellten Ausfüh rungsformen verwendet werden, kann die vorliegende Erfindung auf andere Arten von Mehrzylindermotoren angewendet werden. Wenn ein V-Motor (wie zum Beispiel ein V-Sechszylinder-Typ) verwendet wird, kann beispielsweise der Abgassammler mit der Abgaskammer wie vorstehend beschrieben für jede einzelne Bank (mit drei Zylindern von den in V-Form angeordnet vorgesehen sechs Zylindern) vorgesehen werden.
Der Motorhubraum, der eine Basis bereitstellt, auf welcher das Volumen der Abgaskammer ermittelt wird, wird als die Summe der Hübe der Zylinder ermittelt, die von jedem Abgassammler abgedeckt werden. Wenn nur ein Abgassammler für einen Reihen-Vierzylinder-Motor vorgesehen ist, ist der Motorhubraum die Summe der Hübe aller Zylinder. Wenn der Abgassammler für jede Bank wie in einem V-Sechszylinder-Motor vorgesehen ist, ist der Motorhubraum die Summe des Hubraums der in jeder Bank enthaltenen Zylinder (die Summe der Hubräume von drei Zylindern in dem Falle eines V-Sechszylinder-Motors).

Claims

Direkteinspritzungs-Verbrennungsmotor mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (8), die Kraftstoff direkt in eine Brennkammer einspritzt, aufweisend: einen Katalysator (6), der von der Brennkammer ausgegebenes Abgas reinigt; eine Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung (20), die den von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzten Kraftstoff steuert, wobei die Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung eine Hauptkraftstoff-Einspritzsteuereinheit und eine Zusatzkraftstoff-Einspritzsteuereinheit aufweist, wobei die Hauptkraftstoff-Einspritzsteuereinheit die Kraftstoffeinspritzung ansteuert, um den Kraftstoff, der einer Vorgemisch- oder Ladungsschichtverbrennung zu unterwerfen ist, abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors einzuspritzen, die Zusatzkraftstoffeintrittsteuereinrichtung die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ansteuert, um zusätzlichen Kraftstoff in eine Hochtemperaturatmosphäre der Brennkammer während einer Mittenperiode und nach der Mittenperiode eines Expansionshubs einzuspritzen, nachdem die Kraftstoffeinspritzeinrichtung durch die Hauptkraftstoff-Einspritzsteuereinheit angesteuert wird, damit der zusätzliche Kraftstoff durch sich selbst in den Expansionshub entzündet wird, wobei das Zusatzkrafstoff-Einspritzsignal so eingestellt ist, dass es länger als das Kraftstoffeinspritzsignal für die Haupteinspritzung ist, wenn eine Temperatur des Katalysators erhöht werden muss; und einen zwischen der Brennkammer und dem Katalysator vorgesehenen Abgassammler (10), wobei der Abgassammler eine Abgaskammer (10A) enthält, in welcher das von der Brennkammer ausgegebene Abgas verbleibt, wobei in der Abgaskammer (10A) verbleibender unverbrannter HC mit einem Teil des in dem Abgas brennenden zusätzlichen Kraftstoffs gemischt wird und nachzuverbrennen beginnt.
Direkteinspritzungs-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Abgassammler (10) eine Nachverbrennung von unverbranntem HC in der Abgaskammer (10A) während einer zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung ermöglicht, wobei die Abgaskammer (10A) ein Volumen besitzt, das so kontrolliert ist, dass es eine Reduzierung in einer Temperatur des Abgases nach der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung verhindert.
Direkteinspritzungs-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abgaskammer (10A) des Abgassammlers (10) ein Gesamtvolumen besitzt, das in einem Bereich von etwa dem 0,5 bis 1,0-fachen der Größe des Gesamthubraums des Verbrennungsmotors festgelegt ist.
Direkteinspritzungs-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit mehreren Zylindern, die in mehrere Zylindergruppen aufgeteilt sind, wobei die Abgaskammer (10A) des Abgassammlers (10) für jede von den mehreren Zylindergruppen ein Volumen aufweist, das etwa 0,5 bis 1,0 mal so groß wie der Hubraum jeder der mehreren Zylindergruppen ist.
Direkteinspritzungs-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abgaskammer (10A) des Abgassammlers (10) ein Gesamtvolumen besitzt, das auf einem Bereich von etwa dem 0,6 bis 0,9-fachen der Größe des Gesamthubraums des Verbrennungsmotors festgelegt ist.