DE60202732T2 - Verfahren und Steuereinrichtung einer Dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dieselbrennkraftmaschine bzw. einen Dieselmotor, und insbesondere eine Steuerung eines Kraftstoffeinspritzzeitpunktes und einer EGR-Rückführungsmenge.
  • In einem Dieselmotor, der einen hauptsächlich durch Diffusionsverbrennung verursachten Magerbetrieb durchführt, kann NOx durch ein hohes Luftüberschußverhältnis auftreten. Als Gegenmaßnahme dazu wird eine EGR-Steuerung angewendet, in welcher ein Teil des Abgases in die Ansaugluft zurückgeführt und eine Verbrennungstemperatur verringert wird, um die Erzeugung von NOx zu unterdrücken. Obwohl der NOx-Unterdrückungseffekt in Verbindung mit einem erhöhten EGR-Verhältnis verbessert wird, tritt in der Diffusionsverbrennung, in welcher eine Verbrennung an einer brennbaren Gasgemischschicht an der Grenze zwischen Einspritzkraftstoff und komprimierter Luft bewirkt wird, ein Zunder des Kraftstoffs auf, wenn das EGR-Verhältnis übermäßig erhöht wird, was zu einem Problem führt, daß die Rauchemissionsmenge rasch erhöht wird. Daher hatte zur Vermeidung dieses Problems das EGR-Verhältnis einen oberen Grenzwert, so daß die NOx-Unterdrückung nicht vollständig realisiert werden konnte.
  • In JP-A-8-218920 (USP 5,732,554) wurde eine Technik zur Abgabe von NOx aus der in einem Abgassystem des Dieselmotors erzeugten NOx-absorbierten Substanz offenbart. Kraftstoff wird in einen Saughub eingespritzt und eine große Menge an EGR-Gas eingeführt, um das Luftüberschußverhältnis auf oder unter 1,0 zu verringern, um dadurch das NOx auszustoßen. Der Verbrennungszustand wird auf eine Vorgemischverbrennung verändert, in welcher ein eingespritzter Kraftstoff vor dem oberen Totpunkt der Kompression diffundiert und verdampft wird, mit der Luft vorvermischt und verbrannt wird, wodurch der Zunder des Kraftstoffs weniger leicht entstehen kann, was bewirkt, daß der obere Grenzwert des EGR-Verhältnisses angehoben wird. Somit wird angenommen, daß sowohl der Rauch als auch NOx reduziert werden kann.
  • Andererseits offenbart JP-B-3116876 (USP 5,937,639) eine Technik zum Steuern des EGR-Verhältnisses, wenn die Rauchemission zu einer Abnahme in einem vorbestimmten Bereich wie z.B. einem Niederlastzustand tendiert, um sowohl den Rauch als auch das NOx zu reduzieren. Es wird angemerkt, daß, wenn das EGR-Verhältnis über den oberen Grenzwert hinaus erhöht wird, die Rauchemission zu einer Abnahme tendiert, nachdem sie rasch bis zu der Spitze angestiegen war.
  • Jedoch besteht bei der ersten Technik, da ein langes Intervall von der Kraftstoffeinspritzung in einem Saughub bis zur Zündung in einem Kompressionshub vorliegt, ein Problem, daß der Zündzeitpunkt verändert wird, was einen Zündfehler, wie z.B. eine Vorzündung oder eine Zündverzögerung, und eine Verschlechterung der Stabilität bewirken kann. Außerdem wird ein Teil des in dem Saugvorgang eingespritzten Kraftstoffes innerhalb eines Zylinders diffundiert und an einer Zylinderwand abgeschieden, was eine Ölverdünnung bewirkt, und wird nicht innerhalb eines Hohlraum eines Kolbens wie der zu einem Zeitpunkt des oberen Totpunktes der Kompression eingespritzte Kraftstoff eingefangen, was zu einem Problem führt, daß Kohlenwasserstoff (HC) oder Kohlenmonoxid (CO) rasch erhöht wird.
  • Auch bei der zweiten Technik tritt, wenn der Steuermodus zwischen dem vorbestimmten Bereich und den anderen Bereichen umgeschaltet wird, die Spitze der Rauchemissionsmenge auf. Somit liegt ein Problem vor, daß die Rauchemissionsmenge notwendigerweise vorübergehend bei jeder Modusumschaltung rasch erhöht wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dieselmotor bereitzustellen, welcher sowohl Rauch bzw. Ruß als auch NOx durch Erhöhen des oberen Grenzwertes des EGR-Verhältnisses zur Unterdrückung der Emission von Rauch reduzieren kann, während gleichzeitig eine Ölverdünnung oder Auftreten einer Zunahme von HC oder CO verhindert wird.
  • Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine Steuervorrichtung für einen Dieselmotor bereit, wobei ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt durch einen Kraftstoffeinspritzabschnitt zum Einspritzen eines Kraftstoffes in eine Brennkammer des Motors auf eine Voreilseite vor einem Einspritzzeitpunkt aus eingestellt wird, wenn die Rauchemissionskennlinie eine abnehmende Tendenz nach der Anzeige einer zunehmenden Tendenz abhängig von einer Zunahme in einem EGR-Verhältnis anzeigt, und auf eine Verzögerungsseite von einem Einspritzzeitpunkt aus, wenn der eingespritzte Kraftstoff aus einem in einem Kolben ausgebildeten Hohlraum austritt und an eine Zylinderwandfläche gelangt, und einen EGR-Verhältnis-Einstellabschnitt bereit, um die Rückführungsmenge eines von dem Motor in ein Ansaugluftsystem ausgegebenen Abgases auf der Basis einer Motordrehzahl und Kraftstoffeinspritzmenge zur Erhöhung des EGR-Verhältnisses einzustellen, um dadurch gleichzeitig die Rauchemissionsmenge und die NOx-Emissionsmenge aus dem Motor zu verringern.
  • Die Rauchemissionskennlinie für das EGR-Verhältnis ändert sich abhängig von dem Einspritzzeitpunkt. 5 stellt ein Beispiel der Ergebnisse eines Tests dar, in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in einem bestimmten Betriebsbereich verändert wird. Wenn der Einspritzzeitpunkt auf 20° BTDC (vor dem oberen Totpunkt) im Vergleich zu 10° BTDC, der bei einem üblichen Dieselmotor anwendbar ist, vorverlegt wird, zeigt die Rauchemissionsmenge für eine Zunahme in dem EGR-Verhältnis eine zunehmende Tendenz bis zu einer Spitze und dann eine abnehmende Tendenz an. In diesem Falle liegt, wenn das Luftüberschußverhältnis mit dem EGR-Verhältnis verändert wird, die Rauchemissionsmenge jenseits der Spitze, wodurch es unmöglich ist, eine rasche vorübergehende Zunahme der Rauchemissionsmenge zu vermeiden. Im Gegensatz dazu wird bei 36° BTDC, auf welche der Zündzeitpunkt weiter vorverlegt wird, die Rauchemissionsmenge auf den niedrigen Wert gedrückt, selbst wenn das EGR-Verhältnis erhöht ist, und die NOx-Emissionsmenge wird durch das hohe EGR-Verhältnis unterdrückt, wodurch der Rauch und das NOx gleichzeitig reduziert werden können, und die vorübergehende Zunahme des Rauchs unterdrückt wird, da keine Spitze der Rauchemissionsmenge ausgebildet wird.
  • In dieser Weise wird die Rauchemissionsmenge durch den vorverlegten Einspritzzeitpunkt unterdrückt, da die Dauer von der Kraftstoffeinspritzung bis zur Zündung verlängert wird, um die Vorvermischung zwischen dem eingespritzten Kraftstoff und der Ansaugluft zu fördern. In einer Saughubeinspritzung ist beispielsweise der Einspritzzeitpunkt nicht extrem vorverlegt, so daß der eingespritzte Kraftstoff sicher zu einem vorbestimmten Zeitpunkt in der Nähe des oberen Totpunktes der Kompression gezündet wird, und der stabile Betrieb ohne Zündfehler ermöglicht wird.
  • Andererseits stellt 6 die Testergebnisse der Messung der THC-Emissionsmenge (THC = Summe aller Kohlenwasserstoffe) und der Verdünnungskraftstoffmenge durch Veränderung des Einspritzzeitpunktes in demselben Betriebsbereich wie in 5 dar. Wenn der Einspritzzeitpunkt vorverlegt wird, wird der THC-Wert von etwa 40° BTDC aus erhöht, und die Menge des in das Motoröl gemischten Kraftstoffes wird erhöht, was die Gefahr einer Ölverdünnung mit sich bringt.
  • Angesichts der vorstehenden Gründe wird, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt auf eine voreilende Seite vor den Einspritzzeitpunkt verlegt wird, wenn eine Rauchemissionskennlinie eine zunehmende Tendenz und dann eine abnehmende Tendenz für eine Zunahme in dem EGR-Verhältnis anzeigt, und auf eine Verzögerungsseite von dem Einspritzzeitpunkt aus, wenn der eingespritzte Kraftstoff aus dem in einem Kolben ausgebildeten Hohlraum austritt und an die Zylinderwandfläche gelangt, das Problem mit dem erhöhten THC-Wert oder der Ölverdünnung aufgrund einer übermäßigen Vorverlegung verhindert, und es kann der obere Grenzwert des EGR-Verhältnisses zur Unterdrückung der Ausgabe von Ruß erhöht werden. Und da die Rückführungsmenge des Abgases auf der Basis dieses EGR-Verhältnisses durch die EGR-Einstelleinrichtung gesteuert wird, kann die Rauchemissionsmenge und die NOx-Emissionsmenge gleichzeitig reduziert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Einspritzzeitpunkt zusammen mit der Zunahme in der Motordrehzahl vorverlegt. In diesem Falle tritt, wenn die Kolbengeschwindigkeit mit der Motordrehzahl erhöht wird, der Zeitpunkt, wenn der eingespritzte Kraftstoff in den Hohlraum gelangt, relativ früher auf. Daher ist es, um den eingespritzten Kraftstoff in den Hohlraum zu einem geeigneten Zeitpunkt zu bringen, erforderlich, die Kraftstoffeinspritzung bis zu dem Zeitpunkt zu beschleunigen, an welchem die Kolbenposition noch unten ist. Somit wird, wenn der Einspritzzeitpunkt mit der Zunahme der Motordrehzahl vorverlegt wird, der eingespritzte Kraftstoff immer zum geeigneten Zeitpunkt unabhängig von der Motordrehzahl in den Hohlraum des Kolbens gebracht, wobei ein mit dem Rauch und NOx vereinbarer Verbrennungszustand stabil realisiert werden kann.
  • Ferner wird der Einspritzzeitpunkt erwünschtermaßen nahezu konstant für eine Veränderung in der Belastung gehalten.
  • In diesem Falle kann, da die Abhängigkeit des Einspritzzeitpunktes von der Motorbelastung geringer als die von der Motordrehzahl ist, wenn der Einspritzzeitpunkt für eine Veränderung in der Belastung nahezu konstant gehalten wird, der mit Rauch und NOx konsistente Verbrennungszustand stabil realisiert werden, ohne durch eine Veränderung in der Motorbelastung beeinflußt zu werden.
  • Bevorzugt wird der Betrieb der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung so gesteuert, daß das EGR-Verhältnis 50% oder größer sein kann und das Luftüberschußverhältnis 1,0 oder größer sein kann.
  • In diesem Falle kann, wenn das EGR-Verhältnis 50% oder größer ist, das NOx effizient aufgrund einer großen EGR-Menge reduziert werden, und wenn das Luftüberschußverhältnis 1,0 oder höher ist, der Ausstoß von HC oder CO effektiv unterdrückt werden. Demzufolge kann die Gesamtemissionsabgascharakteristik verbessert werden.
  • Wenn ein Katalysator mit einer Oxidationsfunktion in dem Abgassystem vorgesehen ist, ist es zu bevorzugen, daß die Ausführung der Erfindung oder des ersten Steuermodus blockiert wird, wenn der Katalysator inaktiv ist.
  • Demzufolge führt eine große EGR-Menge in dem ersten Steuermodus zu abnehmender Überschußluft, so daß die Emissionsmenge von HC oder CO zu einem Anstieg tendiert, wobei jedoch das ausgestoßene HC oder CO sicher durch die Oxidationsfunktion des Katalysators entfernt wird. Andererseits wird, wenn der Katalysator inaktiv ist, die Ausführung des ersten Steuermodus blockiert, so daß von dem Motor ausgestoßenes HC oder CO mit der kleineren EGR-Menge verkleinert wird, wodurch der Ausstoß von HC oder CO verhindert wird.
  • Ferner wird, wenn ein zweiter Steuermodus vorgesehen ist, in welchem der Einspritzzeitpunkt in der Nähe des oberen Totpunktes der Kompression so eingestellt ist, daß er hinter dem ersten Steuermodus liegt, und das EGR-Verhältnis niedriger als in dem ersten Steuermodus ist, der Einspritzzeitpunkt kurzfristig in der Mitte während einer EGR-Verhältniswechselperiode umgeschaltet, in welcher das EGR-Verhältnis allmählich verändert wird, wenn zwischen dem ersten Steuermodus und dem zweiten Steuermodus abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors umgeschaltet wird.
  • In dem ersten Steuermodus wird, obwohl das Problem mit der Zunahme von HC oder CO und der Ölverdünnung wie vorstehend beschrieben verhindert wird, der obere Grenzwert des EGR-Verhältnisses zum Unterdrücken des Ausstoßes von Rauch vergrößert, so daß die Rauchemissionsmenge und die NOx-Emissionsmenge gleichzeitig reduziert werden können.
  • Außerdem schaltet in dem zweiten Steuermodus im Gegensatz zu dem ersten Steuermodus, da der Einspritzzeitpunkt verzögert und das EGR-Verhältnis kleiner ist, die Modusumschalteinrichtung den Steuermodus in den zweiten Steuermodus um, um eine Ausgangsleistungsanforderung in einem Betriebszustand mit hoher Ausgangsleistungsanforderung von dem Fahrer zu bewältigen.
  • Andererseits wird, wenn der Steuermodus von der Modusumschalteinrichtung umgeschaltet wird, das EGR-Verhältnis allmählich aufgrund der Rückführung des Abgases umgeschaltet, wobei jedoch, wenn der Einspritzzeitpunkt allmählich in Abhängigkeit von der Veränderungskennlinie verändert wird, der Rauch kurzzeitig in einem Zustand erhöht werden kann, in welchem der Einspritzzeitpunkt und das EGR-Verhältnis in einem Bereich für eine rasche Vergrößerung des Rauchs liegen.
  • Beispielsweise stellt 4 die Testergebnisse dar, in welchen der Einspritzzeitpunkt weiter in denselben Betriebsbereich wie in 5 unterteilt wird. In 4 ist die Kennlinie mit einem Zeichen
    Figure 00080001
    für IT = 8° BTDC angezeigt. In derselben Weise ist die Kennlinie mit einem Zeichen O für 10° BTDC, einem Zeichen
    Figure 00080002
    für 12° BTDC, einem Zeichen Δ für 14° BTDC, einem Zeichen
    Figure 00080003
    für 16° BTDC, einem Zeichen * für 20° BTDC, einem Zeichen ♦ für 24° BTDC, einem Zeichen ♢ für 28° BTDC, einem Zeichen
    Figure 00080004
    für 32° BTDC und einem Zeichen ☐ für 36° BTDC dargestellt.
  • In 4 ist der zweite Steuermodus mit einem großen Zeichen
    Figure 00080005
    dargestellt, in welchem der Einspritzzeitpunkt auf 8° BTDC eingestellt, das EGR-Verhältnis Regr auf 45% und das Luftüberschußverhältnis λ auf etwa 1,8 geregelt ist. Im Gegensatz dazu ist der erste Steuermodus mit einem großen Zeichen ☐ dargestellt, in welchem der Einspritzzeitpunkt auf 36° BTDC auf der weit voreilenden Seite und das EGR-Verhältnis Regr auf 56% eingestellt ist, so daß das Luftüberschußverhältnis 1 auf 1,0 oder auf die leicht magere Seite geregelt ist.
  • Wenn der Einspritzzeitpunkt irgendwo von 14 bis 32° BTDC in einen Übergangsbereich des Luftüberschußverhältnisses λ von 1,0 bis 1,8 gesetzt wird, tritt ein Phänomen auf, daß das Geräusch hauptsächlich auf der mageren Seite erhöht wird, oder der Rauch hauptsächlich auf der fetten Seite erhöht wird.
  • Somit sind das Geräusch und der Rauch inkonsistent. Demzufolge wird, wenn der Steuermodus zwischen dem ersten Steuermodus und dem zweiten Steuermodus umgeschaltet wird, wenn der Einspritzzeitpunkt allmählich gemäß der unterbrochenen Linie von 4 verändert wird, der Bereich von 14 bis 32° BTDC notwendigerweise durchlaufen, wodurch es nicht möglich ist, den Bereich zu vermeiden, in welchem das Geräusch oder der Rauch rasch erhöht werden.
  • Im Gegensatz dazu kann, wenn der Einspritzzeitpunkt auf 8 oder 10° BTDC eingestellt wird, das Geräusch und der Rauch in dem Bereich auf der mageren Seite von dem Luftüberschußverhältnis λ von etwa 1,3 aus reduziert werden. Andererseits kann, wenn der Einspritzzeitpunkt auf 36° BTDC eingestellt ist, das Geräusch und der Rauch in den Bereich auf der fetten Seite von dem Luftüberschußverhältnis λ von etwa 1,3 an reduziert werden. Somit kann in diesem Beispiel der Einspritzzeitpunkt kurzfristig bei dem Luftüberschußverhältnis λ = 1,3 gemäß Darstellung durch eine durchgezogene Linie in 4 verändert werden.
  • In dem vorstehenden Beispiel wird, da der Einspritzzeitpunkt kurzfristig in der Mitte während einer EGR-Verhältnis-Änderungsperiode, in welcher das EGR-Verhältnis allmählich verändert wird, umgeschaltet wird, der Steuermodus umgeschaltet, um einen Bereich zu übergehen, in welchem der Rauch rasch abnimmt. Demzufolge ist es möglich, im voraus eine temporäre Zunahme des Rauchs während der EGR-Verhältnis-Änderungsperiode zu vermeiden.
  • Der erste Steuermodus wird bevorzugt ausgeführt, wenn sich der Betriebsbereich des Motors in einem Niederlastbereich befindet, wodurch die Steuerung ohne Probleme in dem Niederlastbereich ausgeführt werden kann, in welchem die er forderliche Kraftstoffmenge kleiner ist, selbst wenn die Luftmenge aufgrund einer großen Menge an EGR verringert ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es, wenn der Motor einen NOx-Katalysator für die Absorption von NOx in dem Abgassystem besitzt, zu bevorzugen, daß der Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung so gesteuert wird, daß der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt nahezu gleich dem des ersten Steuermodus sein kann, und das Luftüberschußverhältnis kleiner als 1,0 zu einem Zeitpunkt der Beseitigung von NOx aus dem NOx-Katalysator sein kann.
  • In diesem Falle kann, da der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt auf eine Voreilseite gegenüber dem Einspritzzeitpunkt eingestellt ist, wenn die Rauchemissionskennlinie eine zunehmende Tendenz und dann eine abnehmende Tendenz für eine Zunahme in dem EGR-Verhältnis anzeigt, der Bereich des EGR-Verhältnisses erweitert werden, um die Rauchemissionsmenge auf einen niedrigen Pegel zu halten. Ferner kann, da der Betrieb der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung so gesteuert wird, daß ein Luftüberschußverhältnis 1,0 oder kleiner sein kann, das EGR-Verhältnis vergrößert werden, ohne sich um die Rauchemissionsmenge zu sorgen, um NOx aus dem NOx-Absorptionskatalysator effizient auszugeben und zu reduzieren.
  • Die Erfindung wird detaillierter in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist:
  • 1 eine Gesamtaufbauansicht eines Dieselmotors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Flußdiagramm, das eine von einer ECU in der ersten Ausführungsform auszuführende Verbrennungsmodus-Umschaltroutine darstellt;
  • 3 eine Erläuterungsdarstellung, welche ein Kennfeld für den Aufbau eines Verbrennungsmodus darstellt;
  • 4 eine graphische Kennliniendarstellung, welche eine Steuersituation für einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT und ein EGR-Verhältnis Regr in einem normalen Verbrennungsmodus und in einem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx und Testergebnisse der Messung einer THC-Emissionsmenge, NOx-Emissionsmenge, Geräusch- und Rauchemissionsmenge darstellt, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT von 8 bis 36° BTDC eingestellt wird;
  • 5 eine graphische Kennliniendarstellung, welche die aus 4 entnommenen Testergebnisse darstellt, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT 10, 20 und 36° BTDC ist;
  • 6 eine graphische Kennliniendarstellung, welche die Testergebnisse der Messung der THC-Emission und der Verdünnungskraftstoffmenge darstellt; und
  • 7 ein Flußdiagramm, das eine von der ECU in der zweiten Ausführungsform auszuführende Verbrennungsmodus-Umschaltroutine darstellt.
  • Erste Ausführungsform
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit einem Dieselmotor mit einem Common-Rail-System beschrieben.
  • 1 ist eine Gesamtaufbauansicht des Dieselmotors gemäß der ersten Ausführungsform. In 1 ist ein Zylinder des Dieselmotors dargestellt, in welchem ein Kolben 2, der innerhalb des Zylinderblockes 1 angeordnet ist, über eine Pleuelstange 3 mit einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle verbunden ist. In einem Zylinderkopf 4 des Motors ist ein dem Zylinder gegenüberliegendes Kraftstoffeinspritzventil 5 ange ordnet, und mit einer gemeinsamen Druckleitung (common rail) 6 verbunden, welche für alle Zylinder gemeinsam ist. Eine Kraftstoffpumpe 7 ist mit der gemeinsamen Leitung 6 so verbunden, daß Hochdruckkraftstoff aus der Kraftstoffpumpe 7 innerhalb der gemeinsamen Leitung 6 vorgehalten wird.
  • Das Kraftstoffeinspritzventil 5 wird zu einem vorbestimmten Zeitpunkt in der Nähe des Totpunktes der Kompression geöffnet, so daß ein hoher Kraftstoffdruck innerhalb der gemeinsamen Druckleitung 6 aus dem Kraftstoffeinspritzventil 5 in einen Hohlraum 2a in den Kopfabschnitt des Kolbens eingespritzt, in der komprimierten Luft gezündet und verbrannt wird, um den Kolben 2 nach unten zu treiben (Kraftstoffeinspritzungsabschnitt). Der Aufbau eines Common-Rail-Systems ist allgemein bekannt und wird nicht im Detail beschrieben. Die Kraftstoffeinspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt können beliebig durch Steuerung eines offenen Zustandes des Kraftstoffeinspritzventils 5 eingestellt werden.
  • Jeder Zylinder ist mit einem Saugeinlaß 8 verbunden, der in dem Zylinderkopf 4 zu einem gemeinsamen Ansaugkanal 9 hin ausgebildet ist. In dem Ansaugkanal 9 sind ein Luftfilter 10, ein Kompressor 11a eines Turboladers 11 und ein Ansaugdrosselklappenventil 12 in dieser Reihenfolge von der Anstromseite des Ansaugkanals 9 aus angeordnet. Ferner ist jeder Zylinder auch mit einem Abgasauslaß 13 aus dem Zylinderkopf 4 zu einem gemeinsamen Abgaskanal 14 hin ausgebildet. In dem Auslaßkanal 14 sind ein Auslaßdrosselklappenventil 15, eine Turbine 11b des Turboladers 11 koaxial zu dem Kompressor 11a, ein NOx-Absorptionskatalysator 16, ein Oxidationskatalysator 17, und ein (nicht dargestellter) Schalldämpfer in dieser Reihenfolge von der Anstromseite des Auslaßkanals 14 aus angeordnet. Der NOx-Absorptionskatalysator 16 hat die Funktion der Absorption von NOx in dem Abgas, wenn das Abgas-Luft/ Kraftstoff-Verhältnis des Motors mager ist, und der Abgabe des absorbierten NOx, wenn das Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors fett oder stöchiometrisch ist (HC oder CO in dem Abgas vorliegt). Der Oxidationskatalysator 17 hat eine Funktion der Oxidation und Reinigung von HC oder CO in dem Abgas.
  • Eine durch das Luftfilter 10 hindurch in den Ansaugkanal 9 eingeführte Ansaugluft wird durch den Kompressor 11a vorverdichtet, in den Zylinder eingeführt, wenn ein Ansaugventil 18 jedes Zylinders geöffnet ist, mit dem Hub des Kolbens 2 verdichtet und für die Verbrennung wie vorstehend beschrieben verwendet. Das Abgas wird nach der Verbrennung in den Abgaskanal 14 ausgestoßen, wenn ein Auslaßventil 19 geöffnet ist, um die Turbine 11b anzutreiben, und um dann den NOx-Katalysator 16 und den Oxidationskatalysator 17 zu passieren, um über den Schalldämpfer an Atmosphäre ausgegeben zu werden.
  • Ein EGR-Kanal 23, der mit einem Ende mit einer abstromseitigen Position des Ansaugdrosselklappenventils 12 in dem Ansaugkanal 9 verbunden ist, und mit dem anderen Ende einer anstromseitigen Position des Abgasdrosselklappenventils 15 in dem Abgaskanal 14 verbunden ist, ist mit einem EGR-Ventil 21 und einem EGR-Kühler 25 versehen. Eine Rückführung von EGR aus dem Abgaskanal 14 in den Ansaugkanal 9 erfolgt durch einen EGR-Kanal 23. Wenn das EGR-Ventil 21 geöffnet ist, wird das durch den EGR-Kühler 25 gekühlte Abgas durch den EGR-Kanal 23 hindurch zurückgeführt. Das EGR-Verhältnis zu diesem Zeitpunkt wird abhängig von einem Öffnungszustand des EGR-Ventils 21, einer Beschränkung der Ansaugluft durch das Ansaugdrosselklappenventil 12 und einer Beschränkung des Abgases durch das Abgasdrosselklappenventil 15 geeignet eingestellt (EGR-Verhältnis-Einstellabschnitt).
  • Eine ECU (elektronische Steuereinheit) 31 ist innerhalb eines Gehäuses eingebaut. Die ECU weist eine Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung, eine Speichervorrichtung wie z.B. ein ROM und RAM zum Speichern eines Steuerprogramms und eines Steuerkennfeldes, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und einen Zeitgeber/Zähler auf. Auf der Eingangsseite der ECU 31 sind verschiedene Arten von Sensoren angeschlossen einschließlich eines Gaspedalsensors 32 zum Erfassen eines Gaspedalbetätigungsbetrags APS, und eines Drehzahlsensors 33 zum Erfassen der Motordrehzahl Ne. An der Ausgangsseite sind verschiedene Arten von Vorrichtungen angeschlossen einschließlich des Kraftstoffeinspritzventils 5, des Ansaugdrosselklappenventil 12, des Abgasdrosselklappenventils 15 und des EGR-Ventils 21.
  • Die ECU 31 berechnet eine Kraftstoffeinspritzmenge Q aus dem (nicht dargestellten) Kennfeld auf der Basis des Gaspedalbetätigungsbetrages APS und der Motordrehzahl Ne und berechnet den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT aus dem Kennfeld auf der Basis der Motordrehzahl Ne und der Kraftstoffeinspritzmenge Q und steuert das Kraftstoffeinspritzventil 5 auf der Basis dieser berechneten Werte.
  • Ferner berechnet die ECU 31 ein Soll-Luftüberschußverhältnis λtgt aus dem (nicht dargestellten) Kennfeld auf der Basis der berechneten Werte der Motordrehzahl Ne und der Kraftstoffeinspritzmenge Q. Die ECU 31 führt eine Rückkopplungssteuerung für den Öffnungszustand des EGR-Ventils 21 (d.h., für das EGR-Verhältnis Regr) auf der Basis des Soll-Luftüberschußverhältnisses λtgt und eines Ist-Luftüberschußverhältnisses λ durch, so daß das Ist-Luftüberschußverhältnis λ gleich dem Soll-Luftüberschußverhältnis λtgt wird. Das tatsächliche Luftüberschußverhältnis λ kann aus einer neuen Ansaugluftmenge berechnet werden, in welcher ein geschätzter Wert der restlichen Sauerstoffmenge in dem EGR-Gas einer An saugluftmenge hinzuaddiert wird, die aus dem Ausgangssignal eines (nicht dargestellten) Luftstromsensorausgangs und der Kraftstoffeinspritzmenge Q erhalten wird. Das Ist-Luftüberschußverhältnis λ kann aus dem Ausgangssignal eines linearen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors erhalten werden, der in dem Abgaskanal 14 angeordnet ist.
  • In dem Dieselmotor dieser Ausführungsform wird der Verbrennungsmodus abhängig von einem Betriebszustand des Motors umgeschaltet, und dadurch stark der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT verändert. Die Umschaltung des Verbrennungsmodus wird nachstehend detailliert beschrieben.
  • 2 ist ein Flußdiagramm, welches die von der ECU 31 durchzuführende Verbrennungsmodus-Umschaltroutine darstellt. Vor allem ermittelt die ECU 31 bei dem Schritt S2 auf der Basis der Kühlwassertemperatur, ob die Aufwärmung des Motors abgeschlossen ist oder nicht. Anschließend ermittelt die ECU 31 bei dem Schritt S4 auf der Basis der Kraftstoffeinspritzmenge Q und der Motordrehzahl Ne und abhängig von dem Kennfeld gemäß Darstellung in 3, ob der derzeitige Betriebsbereich ein voreingestellter spezifischer Bereich ist. Der spezifische Bereich ist in einen Niederlast- und einen Niederdrehzahlbereich eingeteilt, in welchem die Kraftstoffeinspritzmenge Q (korreliert mit der Motorbelastung) und die Motordrehzahl Ne gleich oder kleiner als die vorbestimmten Werte Q0 und Ne0 sind.
  • Wenn eine negative Ermittlung (NEIN) bei dem Schritt S2 oder S4 gemacht wird, geht die Routine zu dem Schritt S6 über, in welchem der normale Verbrennungsmodus (zweiter Steuermodus) durchgeführt wird, und dann die Routine beendet wird (zweite Steuereinrichtung). Wenn bei jedem der Schritte S2 und S4 eine bestätigende Ermittlung (JA) gemacht wird, geht die Routine zu dem Schritt S8 über, in welchem der Verbren nungsmodus mit niedrigem NOx (erster Steuermodus) durchgeführt wird, und dann die erste Routine beendet wird (erste Steuereinrichtung).
  • Der normale Verbrennungsmodus ist ein Steuermodus, um dieselbe Steuerung auszuführen, welche mit dem typischen Dieselmotor ausgeführt wird, während der Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx ein Merkmal dieser Erfindung ist.
  • 4 ist eine graphische Kennliniendarstellung, welche eine Steuersituation für einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT und ein EGR-Verhältnis Regr in einem normalen Verbrennungsmodus und in einem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx und die Testergebnisse einer Messung einer THC-Emissionsmenge, NOx-Emissionsmenge, Geräusch- und Rauchemissionsmenge darstellt, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT von 8 bis 36° BTDC eingestellt wird. In 4 ist die Kennlinie mit einem Zeichen
    Figure 00160001
    für IT = 8° BTDC angezeigt. In derselben Weise ist die Kennlinie mit einem Zeichen O für 10° BTDC, einem Zeichen
    Figure 00160002
    für 12° BTDC, einem Zeichen Δ für 14° BTDC, einem Zeichen
    Figure 00160003
    für 16° BTDC, einem Zeichen * für 20° BTDC, einem Zeichen ♦ für 24° BTDC, einem Zeichen ♢ für 28° BTDC, einem Zeichen
    Figure 00160004
    für 32° BTDC und einem Zeichen ☐ für 36° BTDC dargestellt. Die Testergebnisse werden bei einem Betriebsbereich des Motors mit einem effektiven Durchschnitts-Soll-Druck Pe von 0,2 MPa (in Bezug auf die Motorlast) und einer Motordrehzahl von 2000 Upm erhalten.
  • Ein Kalibrierungspunkt in dem normalen Verbrennungsmodus liegt bei einer Position eines großen Zeichens
    Figure 00160005
    , in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT auf 8° BTDC eingestellt ist, das EGR-Verhältnis Regr auf 45% und das Luftüberschußverhältnis λ auf etwa 1,8 geregelt ist. Im Gegensatz dazu befindet sich der Kalibrierungspunkt in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx bei einer Position des großen Zeichens ☐, in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT auf 36° BTDC auf der weit voreilenden Seite eingestellt ist, und das EGR-Verhältnis Regr auf 56% eingestellt ist, so daß das Luftüberschußverhältnis λ auf 1,0 oder auf die leicht magere Seite (λ ≥ 1,0) geregelt ist.
  • Der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT = 36° BTDC in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx wird in der folgenden Weise eingestellt.
  • 5 ist eine graphische Kennliniendarstellung, welche die aus 4 entnommenen Testergebnisse darstellt, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT 10, 20 und 36° BTDC ist. In 5 entspricht IT = 10° BTDC, durch das Zeichen O dargestellt, dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT (nahe an dem normalen Verbrennungsmodus) der bei dem typischerweise Dieselmotor angewendet wird, IT = 20° BTDC, durch das Zeichen * dargestellt, entspricht dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT, der in JP-B-3116876 (USP 5,937,639) angewendet wird, und IT = 36° BTDC, durch das Zeichen ☐ dargestellt, entspricht dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx dieser Ausführungsform.
  • Bei 10° BTDC wird die NOx-Emission verringert, wenn das EGR-Verhältnis Regr angehoben wird, aber da der Rauch rasch jenseits von λ = 1,8 (obwohl es in der Figur weggelassen ist) erhöht wird, ist der obere Grenzwert des EGR-Verhältnisses Regr, der den Ausstoß von Rauch unterdrücken kann, ziemlich niedrig.
  • Auch bei 20° BTDC neigt die Rauchemissionsmenge zu einer sofortigen Erhöhung, sobald das EGR-Verhältnis Regr erhöht wird, und neigt nach der Spitze zu einer Abnahme. Da in der Nähe von λ = 1,05 als dem Minimalwert der Rauch nicht vollständig reduziert werden kann, wird die Spitze der Rauchemis sionsmenge jedesmal überschritten, wenn das Luftüberschußverhältnis λ mit der Umschaltung des Verbrennungsmodus geändert wird. Daher wird angenommen, daß die Rauchemissionsmenge rasch vorübergehend erhöht wird.
  • Im Gegensatz dazu wird bei 36° BTDC, bei welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT weiter vorverlegt ist, die Rauchemissionsmenge auf einen extrem niedrigen Wert gedrückt, selbst wenn das EGR-Verhältnis Regr auf etwa 56% vergrößert wird. Demzufolge wird das realisierbare Luftüberschußverhältnis λ über den Bereich in der Nähe von 1,0 ausgedehnt. Da die NOx-Emission durch das hohe EGR-Verhältnis Regr unterdrückt wird, ermöglicht dieser Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT sowohl eine Reduzierung des Rauchs als auch des NOx. Ferner wird, da keine Spitze der Rauchemissionsmenge erzeugt wird, eine vorübergehende Zunahme des Rauchs unterdrückt.
  • Auf diese Weise wird die Rauchemissionsmenge durch die Vorverlegung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes IT unterdrückt, da die Periode von der Kraftstoffeinspritzung bis zur Zündung verlängert wird, um die Vormischung des eingespritzten Kraftstoffes und der Ansaugluft zu fördern. Der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT wird nicht extrem bis zu dem Ansaughub vorverlegt wie in JP-A-8-218920 (USP 5,732,554). Somit wird selbst in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx der eingespritzte Kraftstoff sicher bei einem bestimmten Zeitpunkt in der Nähe des oberen Totpunktes der Kompression gezündet, was eine Ausführung des stabilen Betriebs ohne Zündfehler ermöglicht.
  • Selbst bei diesen 36° BTDC wird, wenn das Luftüberschußverhältnis λ auf die fette Seite über 1,0 hinaus eingestellt wird, der Rauch erhöht, und die HC- oder CO-Emission erhöht, wenn die Überschußluft verringert wird (4). Um diese Nachteile zu vermeiden, wird das Luftüberschußverhältnis λ in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx auf die leicht magere Seite von 1,0 eingestellt.
  • 6 ist eine graphische Kennliniendarstellung, welche die Testergebnisse der Messung der THC-Emission und der Verdünnungskraftstoffmenge durch die Veränderung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes IT in demselben Betriebsbereich wie in den 4 und 5 darstellt. Gemäß Darstellung in 6 wird, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT vorverlegt wird, der THC-Wert von etwa 40° BTDC an und die Verdünnungskraftstoffmenge (die Menge des in das Motoröl gemischten Kraftstoffs das den Verdünnungseffekt bewirkt) erhöht, was die Gefahr einer Ölverdünnung mit sich bringt: Beispielsweise wird ein Teil des durch eine frühe Kraftstoffeinspritzung eingespritzten Kraftstoffs an der Zylinderwandfläche diffundiert und abgeschieden ohne in dem Hohlraum 2a des Kolbens 2 eingefangen zu werden, und der abgeschiedene Kraftstoff wird als THC ausgegeben oder in das Öl einer Ölwanne durch einen Kolbenspielraum hindurch gemischt. Ferner wird, wenn die Mischung des Kraftstoffstrahls und der Ansaugluft nicht vollständig aufgrund irgendeines Faktors, wie z.B. durch einen Hohlraumrand oder eine Rückwärtsquetschströmung ausgeführt wird, der Rauch erhöht. Somit ist die übermäßige Vorverlegung aus diesem Gesichtspunkt unerwünscht.
  • Ferner wird, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT übermäßig vorverlegt wird, der Zündzeitpunkt des Kraftstoffes in der Nähe des oberen Totpunktes der Kompression verteilt, was leicht einen Zündfehler, wie z.B. eine Vorzündung oder eine Zündverzögerung wie in JP-A-8-218920 (USP 5,732,554) bewirken kann, in welcher die Kraftstoffeinspritzung in dem Saughub durchgeführt wird. Daher gibt es einen Grenzwert für die Vorverlegung, um diesen Nachteil zu vermeiden.
  • Daher wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT auf 40° BTDC auf der Vorverlegungsseite beschränkt. Demzufolge wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx auf 36° BTDC wie vorstehend beschrieben eingestellt.
  • In diesem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx reicht, da eine große Menge an EGR zurückgeführt wird, um NOx zu unterdrücken, die Luftmenge zum Verbrennen einer großen Menge von Kraftstoff in einem Bereich mit hoher Motorbelastung oder Motordrehzahl Ne nicht aus, wodurch hier eine gewisse Einschränkung bezüglich der Motorbelastung und der Motordrehzahl Ne vorliegt, und diese auf einen spezifischen Bereich des Kennfeldes in 3 beschränkt ist. In dieser Ausführungsform kann eine relativ große Menge an Luft aufgrund der Vorverdichtung des Turboladers 11 in dem Verbrennungsmodus mit niedrigen NOx geliefert werden, wodurch der obere Grenzwert in dem spezifischen Bereich deutlich im Vergleich zu dem Dieselmotor mit natürlicher Ansaugung erweitert ist.
  • Der optimale Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT wird abhängig von dem Betriebsbereich des Motors in dem spezifischen Bereich verändert, während die Abhängigkeit der Kraftstoffeinspritzmenge (Motorbelastung) niedrig ist. Ferner wird der optimale Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT stark in Abhängigkeit von der Motordrehzahl Ne verändert.
  • Wenn sowohl die Motordrehzahl Ne als auch die Kolbengeschwindigkeit erhöht werden, tritt der Zeitpunkt, an welchem der eingespritzte Kraftstoff bei dem Hohlraum 2a ankommt, relativ früh auf. Daher ist es, um ein Ankommen des eingespritzten Kraftstoffs an dem Hohlraum zu einem geeigneten Zeitpunkt zu ermöglichen, erforderlich, die Kraftstoffeinspritzung bis zu dem Zeitpunkt vorzuverlegen, an welchem sich der Kolben noch in einer tiefen Position befindet. Somit wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT auf die Voreilungsseite eingestellt, wenn die Motordrehzahl Ne in dem spezifischen Bereich des Kennfeldes gemäß Darstellung in 3 eingestellt ist, während der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT nahezu konstant unabhängig von der Kraftstoffeinspritzmengenschwankung eingestellt wird.
  • Andererseits wird, wenn der Verbrennungsmodus nach einer Veränderung in dem Betriebsbereich des Motors umgeschaltet wird, der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT von 8° BTDC auf 36° BTDC umgeschaltet, und das Luftüberschußverhältnis λ zwischen 1,8 und 1,0 (zwischen 45% und 56% in dem EGR-Verhältnis Regr) umgeschaltet, wie es unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde.
  • In der Kraftstoffeinspritzsteuerung des Common Rail-Systems mit hoher Reaktionsfähigkeit kann der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT schrittweise umgeschaltet werden, wobei aber, da das EGR-Verhältnis Regr sanft aufgrund der Rückführung des Abgases in die EGR-Steuerung verändert wird, das EGR-Verhältnis Regr einen Übergangsbereich bei dem Modusumschaltzeitpunkt besitzt. Bei dem Modusumschaltzeitpunkt wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT nicht gemäß der Veränderung des EGR-Verhältnisses Regr verzögert, wie es durch die unterbrochene Linie in 4 dargestellt ist, sondern schrittweise an einem vorbestimmten Punkt während der EGR-Verhältnis-Veränderungsperiode (Modusumschalteinrichtung) verändert, wie es durch die durchgezogene Linie dargestellt wird. Die Notwendigkeit für eine derartige Steuerung zu dem Modusumschaltzeitpunkt wird nachstehend beschrieben.
  • Gemäß Darstellung in 4 tritt, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT irgendwo von 14 bis 32° BTDC in einen Übergangsbereich des Luftüberschußverhältnisses λ von 1,0 bis 1,8 eingestellt wird, ein Phänomen auf, daß das Ge räusch hauptsächlich auf der mageren Seite erhöht wird, oder der Rauch hauptsächlich auf der fetten Seite erhöht wird. Somit kann die Geräuschreduzierung und die Rauchreduzierung nicht erreicht werden. Wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT gemäß der unterbrochenen Linie von 4 verzögert wird, wird der Bereich von 14 bis 32° BTDC notwendigerweise durchlaufen, wodurch es nicht möglich ist, den Bereich zu vermeiden, in welchem das Geräusch oder der Rauch rasch erhöht wird.
  • Im Gegensatz dazu kann, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT auf 8° oder 10° BTDC eingestellt wird, das Geräusch und der Rauch in den Bereich auf der mageren Seite von dem Luftüberschußverhältnis λ von etwa 1,3 aus unterdrückt werden. Andererseits kann, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT bei 36° BTDC eingestellt wird, das Geräusch und der Rauch in den Bereich auf der fetten Seite des Luftüberschußverhältnisses λ von etwa 1,3 aus reduziert werden.
  • Somit wird, wenn der Normalverbrennungsmodus auf den Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx umgeschaltet wird, der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT allmählich von 8 auf 10° BTDC erhöht, und dann stufenartig auf 36° BTDC bei λ = 1,3 in dem Bereich, in welchem das Luftüberschußverhältnis λ 1,3 oder größer ist, verändert. Außerdem wird, wenn der Verbrennungsmodus mit niedrigen NOx auf den normalen Verbrennungsmodus umgeschaltet wird, die umgekehrte Prozedur verfolgt.
  • Andererseits wird in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx, in welchem das Luftüberschußverhältnis λ im Vergleich zu dem normalen Verbrennungsmodus auf die fette Seite eingestellt ist, das Drehmoment mit derselben Einspritzmenge reduziert. Daher wird die erforderliche Kraftstoffmenge im Voraus für jedes Luftüberschußverhältnis λ erzielt, und die Ist- Kraftstoffeinspritzmenge Q gemäß dem Luftüberschußverhältnis λ in dieser Ausführungsform korrigiert, wodurch die Drehmomentveränderung zu dem Zeitpunkt der Umschaltung des Verbrennungsmodus verhindert wird.
  • In dem Dieselmotor dieser Ausführungsform wird mit der Kenntnis, daß der obere Grenzwert des EGR-Verhältnisses Regr zum Unterdrücken des Abgases aus Rauch in einem Bereich erhöht ist, in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT stark im Vergleich zu dem typischen Wert vorverlegt ist, der Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx, in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT auf die voreilende Seite verlegt ist, in einem spezifischen Bereich mit niedriger Drehzahl und niedriger Belastung durchgeführt, wodurch sowohl der Rauch als auch das NOx mit einer extrem hohen Größenordnung reduziert werden können.
  • Ferner wird die Luftmenge durch Vorverdichtung des Turboladers 11 in dieser Ausführungsform für die Erweiterung des oberen Grenzwertes in dem spezifischen Bereich beibehalten, in welchem die Verbrennung mit niedrigem NOx durchgeführt wird, wodurch die Vorteile des Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx in dem weiten Betriebsbereich erzielt werden.
  • Zusätzlich wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx in Hinblick auf niedrigere Stabilität aufgrund eines Zündungsfehlers, Auftreten einer Ölverdünnung und einer durch eine Zunahme im THC bewirkt Voreilbegrenzung eingestellt, wodurch der vorstehende Effekt durch Verhinderung dieser Probleme im Voraus erzielt werden kann.
  • Da der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT zusammen mit einer Zunahme der Motordrehzahl Ne vorverlegt wird, kann der eingespritzte Kraftstoff immer in den Hohlraum 2a des Kolbens 2 zu einem geeigneten Zeitpunkt unabhängig von der Motordrehzahl Ne eingebracht werden. Demzufolge kann ein mit dem Rauch und NOx konsistenter Verbrennungszustand stabil realisiert werden.
  • Ferner wird unter Berücksichtigung, daß der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT weniger von einer Erhöhung oder Verringerung in der Kraftstoffeinspritzmenge (Motorbelastung) abhängt, der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT nahezu konstant gegenüber der Erhöhung oder Verringerung in der Kraftstoffeinspritzmenge Q gehalten, wobei ein mit dem Rauch und dem NOx konsistenter Verbrennungszustand stabil ohne Beeinträchtigung durch die Veränderung der Motorbelastung erzielt werden kann.
  • Das EGR-Verhältnis Regr wird in der Nähe des oberen Grenzwertes (56%) eingestellt, um den Ausstoß von Rauch in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx zu unterdrücken, und das Luftüberschußverhältnis λ wird auf die leicht magere Seite von 1,0 aus eingestellt, wie es in dem Beispiel von 5 beschrieben wurde (Betriebsbereich, in welchem Pe = 0,2 MPa und Ne = 2000 Upm ist). In anderen Betriebsbereichen werden das EGR-Verhältnis Regr und das Luftüberschußverhältnis λ ähnlich eingestellt. Und das EGR-Verhältnis Regr wird auf diese Weise so weit wie möglich erhöht, der maximale NOx-Reduzierungseffekt erzielt, und das Luftüberschußverhältnis λ so gesenkt, daß es sich auf der mageren Seite von 1,0 aus befindet, wodurch HC und CO effektiv unterdrückt werden. Demzufolge können die Gesamtemissionsabgaseigenschaften verbessert werden.
  • Da eine große Menge von EGR einer Verringerung der Überschußluft in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx bewirkt, wird die HC- oder CO-Emission leicht im Vergleich zu dem normalen Verbrennungsmodus gesteigert. Dieses Phänomen kann aus den THC-Kennlinien in 4 abgeschätzt werden. Jedoch ist die Nachbehandlung des HC oder CO einfacher als die des Rauchs, und diese können sicher durch den Oxidationskatalysator 17 in dem Abgaskanal 14 oxidiert und entfernt werden. Andererseits wird, wenn der Oxidationskatalysator 17 nicht aktiviert ist, und die Ermittlung bei Schritt S2 in 2 NEIN ergibt, der Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx gesperrt, und auf den normalen Verbrennungsmodus umgeschaltet, in welcher die HC- oder CO-Emission kleiner ist. Demzufolge kann die HC- oder CO-Emission in jedem Betriebszustand sicher verhindert werden.
  • Der Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx wird in dem spezifischen Bereich freigegeben, und bei einem Herauskommen aus dem spezifischen Bereich zusammen mit der Zunahme in der Kraftstoffeinspritzmenge Q oder der Motordrehzahl Ne wird er auf den normalen Verbrennungsmodus wie bei dem typischen Dieselmotor umgeschaltet. Auf diese Weise ist es möglich, sicher einer von dem Fahrer ausgegeben Leistungsanforderung zu entsprechen und ausgezeichnete Betriebseigenschaften des Fahrzeugs zu realisieren. Insbesondere wird in dieser Ausführungsform, da das von dem EGR-Kühler 25 gekühlte Abgas zurückgeführt wird, das erzielbare Motordrehmoment erhöht, was es ermöglicht, die Betriebseigenschaften des Fahrzeugs zu verbessern.
  • Zum Zeitpunkt der Umschaltung des Verbrennungsmodus wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT stufenartig bei dem vorbestimmten Punkt (λ = 1,3) ohne Verzögerung abhängig von einer Veränderung in dem EGR-Verhältnis Regr umgeschaltet. Demzufolge wird die Modusumschaltung über den Bereich (IT = 14 bis 32° BTDC) hinaus, in welchem das Geräusch oder der Rauch rasch in dem Übergangsbereich des EGR-Verhältnisses Regr erhöht werden, durchgeführt, und dadurch im Voraus eine durch die Modusumschaltung verursachte kurzzeitige Zunahme im Geräusch oder Rauch zu verhindern.
  • In dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx ist der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT auf 36° BTDC eingestellt, wobei aber bei 32° BTDC oder 28° BTDC die Geräusch- oder Raucheigenschaften kaum verschlechtert sind. Demzufolge ist in dem Verbrennungsbereich mit niedrigem NOx unter Annahme dieses Betriebsbereichs der untere Grenzwert des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes IT 28° BTDC und der durch die Ölverdünnung begrenzte obere Grenzwert ist 40° BTDC. Der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT kann beliebig innerhalb dieses Intervalls eingestellt werden.
  • Zweite Ausführungsform
  • Eine zweite Ausführungsform des die vorliegende Erfindung verkörpernden Dieselmotors wird nachstehend beschrieben. Der Dieselmotor dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform dahingehend, daß ein Prozeß zur Reinigung des in dem NOx-Katalysator 16 absorbierten NOx zusätzlich vorgesehen ist. Die anderen Teile sind gleich. Somit werden die Beschreibung für die gleichen Teile unterlassen und hauptsächlich unterschiedliche Punkte erläutert.
  • In dem Verbrennungsmodus für niedriges NOx wird die NOx-Emission reduziert, wobei jedoch die vollständige Unterdrückung im Abgas schwierig ist. Andererseits werden in dem normalen Verbrennungsmodus die NOx-Abgaseigenschaften des typischen Dieselmotors erzielt, wodurch das ausgestoßene NOx in dem NOx-Katalysator 16 absorbiert wird, und dessen Ausstoß in die Atmosphäre verhindert wird. Somit ist, wenn der Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx ausgeführt wird, der Prozeß der Ausgabe und der Reduktion des in dem NOx-Katalysator 16 absorbierten NOx erforderlich. In dieser Ausführungsform wird das NOx durch die Ausführung eines NOx-Verbrennungsreinigungsmodus entfernt, in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT stark, wie in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx vorverlegt wird.
  • 7 ist ein Flußdiagramm, welches die durch die ECU 31 auszuführende Verbrennungsmodus-Umschaltroutine darstellt. Bei dem Schritt S4 wird eine Ermittlung durchgeführt, ob der momentane Betriebsbereich sich in dem spezifischen Gebiet befindet oder nicht. Im Falle von JA geht die Routine zu dem Schritt S10 über, um zu ermitteln, ob ein NOx-Reinigungszeitpunkt zum Reinigen von NOx vorliegt oder nicht. Verschiedene Ermittlungsverfahren können angewendet werden. Beispielsweise wird, wenn der erfaßte Wert des NOx-Sensors größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, und ein Austritt von NOx aus dem NOx-Katalysator 16 geschätzt wird, oder wenn die aus dem Betriebsbereich des Motors abgeschätzte NOx-Emission sukzessiv aufaddiert wird, um die in dem NOx-Katalysator 16 absorbierte NOx-Menge zu erhalten, und deren Wert einen vorbestimmten Wert überschreitet, der NOx-Reinigungszeitpunkt angenommen.
  • Wenn die Ermittlung bei dem Schritt S10 NEIN ist, weil der NOx-Reinigungszeitpunkt nicht vorliegt, geht die Routine zu dem Schritt S8 über, um den Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx auszuführen. Im Gegensatz dazu geht, wenn die Ermittlung bei dem Schritt S10 JA ist, da der NOx-Reinigungszeitpunkt vorliegt, die Routine zu dem Schritt S12 über, um den NOx-Verbrennungsreinigungsmodus auszuführen.
  • In 4 wird der Kalibrierungspunkt des NOx-Verbrennungsreinigungsmodus durch ein großes Zeichen ☐ auf der unterbrochenen Linie dargestellt, in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT auf denselben Wert (36° BTDC in 4) wie in dem Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx eingestellt ist, und das Luftüberschußverhältnis λ auf die etwas fette Seite von 1,0 (λ < 1,0) eingestellt ist, welches sich von der des Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx unterscheidet. D.h., wie es aus den Kennlinien von 4 ersichtlich ist, wird die Zunahme von Rauch aufgrund einer großen Menge von EGR (natürlich der Zunahme von NOx) in den Bereich unterdrückt, in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT stark vorverlegt ist, wodurch das Luftüberschußverhältnis λ auf die fette Seite eingestellt ist, was bei dem typischen Dieselmotor nicht möglich ist. Und da die HC- oder CO-Emission zusammen mit der Verringerung des Überschußsauerstoffes (geschätzt in der THC-Kennlinie) zunimmt, wird HC oder CO als Reduzierungsmittel an den NOx-Katalysator 16 geliefert, um die Ausgabe/Reduzierungswirkung von NOx zu zeigen.
  • In dem Dieselmotor dieser Ausführungsform wird zusätzlich zu den Effekten der ersten Ausführungsform, wenn der NOx-Reinigungszeitpunkt erreicht wird, der NOx-Verbrennungsreinigungsmodus ausgeführt, in welchem das Luftüberschußverhältnis λ auf die fette Seite eingestellt wird, während gleichzeitig die Zunahme des Rauchs unterdrückt wird. Daher gibt es den Effekt der Ausgabe und Reduzierung des NOx auf dem NOx-Katalysator 16, ohne sich um eine Zunahme des Rauchs zu kümmern.
  • Obwohl die Ausführungsformen der Erfindung vorstehend beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise ist in den ersten und zweiten Ausführungsformen der Dieselmotor als ein Common-Rail-System für die genaue Steuerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes IT aufgebaut, der eine Vorverdichtung durch den Turbolader 11 aufweist, um den spezifischen Bereich des Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx zu erweitern, und den EGR-Kühler 25 zur Erhöhung des Motordrehmoments aktiviert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auch für den typischen Dieselmotor ausgeführt werden, in welchem die Kraftstoffeinspritzung über einen Regler gesteuert wird, der Turbolader 11 ein Typ mit variabler Düse ist, oder der Turbolader 11 oder der EGR-Kühler 25 weggelassen sind.
  • In den ersten und zweiten Ausführungsformen sind die Steuerungszustände für den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IT, das EGR-Verhältnis Regr und das Luftüberschußverhältnis λ auf der Basis der Kennlinien von 4 bis 8 entsprechend dem vorbestimmten Betriebsbereich (Pe = 0,2 MPa, Ne = 2000 Upm) als Beispiel dargestellt. Wie vorstehend beschrieben, werden diese Einstellungen in Abhängigkeit von dem Betriebsbereich oder unterschiedlich durch Veränderung der Spezifikation des Motors verändert. Demzufolge können sie natürlich auf der Basis der dem Betriebsbereich oder den Spezifikationen des Motors entsprechenden Kennlinien eingestellt werden, ohne auf die vorstehenden Einstellungen beschränkt zu sein.
  • Ferner werden in der ersten und zweiten Ausführungsform der erste Steuermodus (Verbrennungsmodus mit niedrigem NOx) und der andere Modus abhängig von der Situation umgeschaltet. Jedoch kann der erste Steuermodus jederzeit auch über den gesamten Bereich oder in dem spezifischen Betriebsbereich ausgeführt werden.

Claims (18)

  1. Steuervorrichtung für einen Dieselmotor, mit: einer Einspritzeinrichtung (5) zum Einspritzen eines Kraftstoffes in eine Brennkammer eines Motors; einer EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung (21, 12, 15) zum Einstellen einer Rückführungsmenge von dem Motor abgegebenen Abgases in ein Ansaugluftsystem; und einer Steuerung (31) zum Steuern des Betriebs der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung, wobei die Steuerung einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung bei einer Voreilungsseite von einem Einspritzzeitpunkt aus einstellt, bei welchem eine Rauchemissionskennlinie eine abnehmende Tendenz anzeigt, nachdem sie eine zunehmende Tendenz abhängig von einer Zunahme in einem EGR-Verhältnis anzeigt, und bei einer Verzögerungsseite von einem Zündzeitpunkt aus, bei welchem der eingespritzte Kraftstoff aus einem in einem Kolben (2) ausgebildeten Hohlraum (2a) austritt und an eine Zylinderwandfläche gelangt, und die Steuerung einen ersten Steuermodus (S8) zum Steuern des Betriebs der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung auf der Basis der Motordrehzahl (Ne) und der Kraftstoffeinspritzmenge (Q) zum Erhöhen eines EGR-Verhältnisses ausführt, um dadurch eine Rauchemissionsmenge und eine NOx-Emissionsmenge aus dem Motor zu verringern.
  2. Steuervorrichtung für einen Dieselmotor nach Anspruch 1, wobei die Steuerung den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt abhängig von einer Zunahme der Motordrehzahl vorverlegt.
  3. Steuervorrichtung für einen Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt unabhängig von einer Änderung in der Motorbelastung nahezu konstant hält.
  4. Steuervorrichtung für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerung den Betrieb der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung steuert, um das EGR-Verhältnis auf 50% oder höher einzustellen, und ein Luftüberschußverhältnis auf 1,0 oder höher einzustellen.
  5. Steuervorrichtung für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Motor einen Katalysator (17) mit einer Oxidationsfunktion in einem Abgassystem aufweist, und die Steuerung die Ausführung des ersten Steuermodus verhindert, wenn der Katalysator inaktiv ist.
  6. Steuervorrichtung für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerung einen zweiten Steuermodus ausführen kann, in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung in der Nähe eines oberen Totpunktes der Kompression bei einer Voreilungsseite von dem oberen Totpunkt aus eingestellt wird, um hinter dem des ersten Steuermodus zu liegen, und in welchem das EGR-Verhältnis niedriger als in dem ersten Steuermodus ist, und wobei der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt schnell in der Mitte während einer EGR-Verhältnis-Änderungsperiode umgeschaltet wird, in welcher das EGR-Verhältnis allmählich verändert wird, wenn zwischen dem ersten Steuermodus und dem zweiten Steuermodus (S6) abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors umgeschaltet wird.
  7. Steuervorrichtung für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerung zwischen dem ersten Steuermodus und einem zweiten Steuermodus (S6) umschaltet, in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung in der Nähe eines oberen Totpunktes der Kompression bei einer Voreilungsseite vor dem oberen Totpunkt aus eingestellt wird, um hinter dem des ersten Steuermodus zu liegen, und in welchem das EGR-Verhältnis niedriger als in dem ersten Steuermodus abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors ist, und wobei der erste Steuermodus in einem Niederlast- und einem Niederdrehzahlbereich des Motors durchgeführt wird.
  8. Steuervorrichtung für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Motor einen NOx-Katalysator (16) zum Absorbieren von NOx in einem Abgassystem aufweist, und die Steuerung den Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung steuert, um den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt nahezu gleich dem des ersten Steuermodus einzustellen und ein Luftüberschußverhältnis auf weniger als 1,0 zu einem Zeitpunkt der Entfernung von NOx aus dem NOx-Katalysator einzustellen.
  9. Steuerverfahren für einen Dieselmotor mit den Schritten: Einspritzen eines Kraftstoffes in eine Brennkammer eines Motors mittels einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (5); und Einstellen einer Rückführungsmenge eines von dem Motor ausgegebenen Abgases in ein Ansaugluftsystem mittels einer EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung (21, 12, 15); wobei ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung bei einer Voreilungsseite von einem Einspritzzeitpunkt aus, an welchem eine Rauchemissionskennlinie eine abnehmende Tendenz nach Anzeigen einer zunehmenden Tendenz abhängig von einer Zunahme im EGR-Verhältnis anzeigt, eingestellt wird, und auf einer Verzögerungsseite von einem Einspritzzeitpunkt aus, bei welchem der eingespritzte Kraftstoff aus einem Hohlraum in einem in einem Kolben (2) ausgebildeten Hohlraum (2a) austritt und an eine Zylinderwandfläche gelangt, und der Betrieb der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung auf der Basis einer Motordrehzahl (Ne) und einer Kraftstoffeinspritzmenge (Q) zum Erhöhen des EGR-Verhältnisses gesteuert wird, um dadurch eine Rauchemissionsmenge und eine NOx-Emissionsmenge aus dem Motor zu verringern.
  10. Steuerverfahren für einen Dieselmotor nach Anspruch 9, wobei der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt abhängig von einer Zunahme der Motordrehzahl vorverlegt wird.
  11. Steuerverfahren für einen Dieselmotor nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt unabhängig von einer Veränderung in einer Motorbelastung nahezu konstant gehalten wird.
  12. Steuerverfahren für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Betrieb der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung gesteuert wird, um das EGR-Verhältnis auf 50% oder höher einzustellen, und ein Luftüberschußverhältnis auf 1,0 oder höher einzustellen.
  13. Steuerverfahren für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Motor einen Katalysator (17) mit einer Oxidationsfunktion in einem Abgassystem aufweist, und die Ausführung der Steuerung blockiert wird, wenn der Katalysator inaktiv ist.
  14. Steuerverfahren für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Motor aufweist: einen ersten Steuermodus (S8), in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung bei der Voreilungsseite von dem Einspritzzeitpunkt aus eingestellt wird, bei welchem die Rauchemissionskennlinie die abnehmende Tendenz anzeigt, nachdem sie die zunehmende Tendenz abhängig von der Zunahme in dem EGR-Verhältnis anzeigt, und bei der Verzögerungsseite von dem Zündzeitpunkt aus, bei welchem der eingespritzte Kraftstoff aus dem in dem Kolben (2) ausgebildeten Hohlraum (2a) austritt und an die Zylinderwandfläche gelangt, und der Betrieb der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung gesteuert wird, um dadurch die Rauchemissionsmenge und die NOx-Emissionsmenge aus dem Motor zu verringern; und einen zweiten Steuermodus (S6), in welchem der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt der Kraftstoff-Einspritzeinrichtung in der Nähe eines oberen Totpunktes der Kompression bei der Voreilseite von dem oberen Totpunkt aus eingestellt wird, um hinter dem des ersten Steuermodus zu liegen, und in welchem das EGR-Verhältnis niedriger als in dem ersten Steuermodus ist, und wobei der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt schnell in der Mitte während einer EGR-Verhältnis-Änderungsperiode umgeschaltet wird, in welcher das EGR-Verhältnis allmählich verändert wird, wenn zwischen dem ersten Steuermodus und dem zweiten Steuermodus abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors umgeschaltet wird.
  15. Steuerverfahren für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Motor aufweist: einen ersten Steuermodus (S8), in welchem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung bei der Voreilungsseite von dem Einspritzzeitpunkt aus eingestellt wird, bei welchem die Rauchemissionskennlinie die abneh mende Tendenz anzeigt, nachdem sie die zunehmende Tendenz abhängig von der Zunahme in dem EGR-Verhältnis anzeigt, und bei der Verzögerungsseite von dem Zündzeitpunkt aus, bei welchem der eingespritzte Kraftstoff aus dem in dem Kolben ausgebildeten Hohlraum austritt und an die Zylinderwandfläche gelangt, und der Betrieb der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung gesteuert wird, um dadurch die Rauchemissionsmenge und die NOx-Emissionsmenge aus dem Motor zu verringern; und einen zweiten Steuermodus (S6), in welchem der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt der Kraftstoff-Einspritzeinrichtung in der Nähe eines oberen Totpunktes der Kompression bei einer Voreilseite von dem oberen Totpunkt aus eingestellt wird, um hinter dem des ersten Steuermodus zu liegen, und in welchem das EGR-Verhältnis niedriger als in dem ersten Steuermodus ist, und wobei der erste Steuermodus in einem Niederlast- und Niedrigdrehzahlbereich des Motors ausgeführt wird.
  16. Steuerverfahren für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei der Motor einen NOx-Katalysator (16) zum Absorbieren von NOx in einem Abgassystem besitzt, und zum Zeitpunkt der Entfernung von NOx aus dem NOx-Katalysator der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung bei der Voreilseite von dem Einspritzzeitpunkt aus eingestellt wird, wenn die Rauchemissionskennlinie die abnehmende Tendenz anzeigt, nachdem sie die zunehmende Tendenz abhängig von der Zunahme in dem EGR-Verhältnis anzeigt, und bei der Verzögerungsseite von dem Zündzeitpunkt aus, wenn der eingespritzte Kraftstoff aus dem in dem Kolben ausgebildeten Hohlraum austritt und an die Zylinderwandfläche gelangt, und wobei der Betrieb der EGR-Verhältnis-Einstelleinrichtung gesteuert wird, um das Luftüberschußverhältnis auf weniger als 1,0 einzustellen.
  17. Dieselmotor mit einer Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
  18. Steuervorrichtung für einen Dieselmotor gemäß Anspruch 6 oder 14, wobei die Umschaltung des Einspritzzeitpunktes stufenartig bei der Voreilungsseite von dem oberen Totpunkt aus ausgeführt wird.
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