DE69914449T2

DE69914449T2 - Verfahren und vorrichtung zur erwärmung eines katalysators für eine brennkraftmaschine mit direkteinspritzung

Info

Publication number: DE69914449T2
Application number: DE69914449T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Fuchu-cho NISHIMURA; Youichi Fuchu-cho KUJI; Seiko Fuchu-cho KONO; Hiroyuki Fuchu-cho YAMASHITA; Keiji Fuchu-cho ARAKI
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1998-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: EP1019623B1; CN1274407A; JP2000045843A; JP3325230B2; DE69914449D1; KR20010024363A; US6345499B1; EP1019623A1; CN1098416C; WO2000008329A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die mit einem Einspritzaggregat versehen ist, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen.
STAND DER TECHNIK
Eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die ein Einspritzaggregat aufweist, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, ist konventionell bekannt. Im Gegensatz zu einer Anordnung, bei welcher ein Einsspritzaggregat in einer Ansaugleitung angeordnet ist, bringt die Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zum Beispiel nicht das Problem mit sich, dass Kraftstoff an den Leitungswänden kondensiert, und hat hinsichtlich der Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses hervorragende Stabilitäts- und Ansprecheigenschaften aufzuweisen. Wenn der Brennraum zudem so geformt ist, dass ein Luft-Kraftstoff-Gemisch stellenweise um eine Zündkerze herum verteilt wird, wenn der Kraftstoff in der zweiten Hälfte jedes Verdichtungshubs eingespritzt wird, ist es möglich, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch Anwendung der so genannten Schichtladungstechnologie zu erhöhen (magereres Gemisch) und dadurch eine Verbesserung der Kraftstoffeinsparung zu erreichen.
Die Abgase aus Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen enthalten zum Beispiel Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx), und heute besteht ein Bedarf daran, die Erzeugung und Abgabe dieser Schadstoffe so weit wie möglich zu reduzieren, um die Eigenschaften dieser Emissionen zu verbessern. Ein konventioneller Ansatz besteht darin, einen Katalysator in einer Abgasleitung vorzusehen, und auch in der obigen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ist es gängige Praxis, einen Katalysator in ihrer Abgasleitung anzuordnen. Ein allgemein bekanntes Beispiel für solch einen Katalysator ist ein Dreiwegekatalysator, der in der Lage ist, etwa beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis NC, CO und NOx zu entfernen. Ein anderes Beispiel, das bereits entwickelt wurde, ist ein Katalysator, der NOx sogar in einem „mageren" Betriebsbereich ausfiltern kann, um für den mageren Verbrennungsbetrieb in der obigen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung oder anderes geeignet zu sein.
Ein Kraftstoffeinspritzungssteuergerät, das zum Beispiel in der japanischen ungeprüften Patentschrift Nr. 4-231645 offenbart wird, ist als ein Gerät bekannt, um zum Beispiel in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung dieses Typs bei niedrigen Temperaturen eine Verbesserung der Umwandlungsleistung eines Katalysators zu erreichen. Bei einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die in ihrer Abgasleitung mit einem NOx-Magerkatalysator versehen ist, ist, ist diese Vorrichtung, da der NOx-Magerkatalysator so beschaffen ist, dass er HC zur Reduktion von NOx benötigt, so angeordnet, dass eine Primäreinspritzung aus einem Einspritzaggregat in einem letzten Abschnitt eines Verdichtungshubs durchgeführt wird, und eine Sekundäreinspritzung zusätzlich zur obigen Primäreinspritzung durchgeführt wird, um dem NOx-Magerkatalysator innerhalb einer Zeitperiode von einem Ansaughub bis zu einem frühen Abschnitt des Verdichtungshubs eine kleine Kraftstoffmenge zur HC-Versorgung zuzuführen, wenn die Temperatur des Katalysators niedrig ist, oder um die obige Sekundäreinspritzung zusätzlich zur obigen Primäreinspritzung innerhalb einer Zeitperiode von einer zweiten Hälfte eines Verdichtungshubs bis zu einem frühen Abschnitt eines Auspuffhubs durchzuführen, wenn die Temperatur des Katalysators hoch ist. In dieser Vorrichtung werden die HC, die aus dem Kraftstoff abgezweigt werden, der durch die Sekundäreinspritzung eingespritzt wird, dem Katalysator in der Auspuffleitung zugeführt, wobei die Menge des Kraftstoffs, die durch die Sekundäreinspritzung eingespritzt wird, auf ein so kleines Niveau geregelt wird, dass er die Verbrennung in einem Brennraum kaum beeinflusst, und dem Katalysator wird unter Niedetemperaturbedingungen ein niedrigsiedender Bestandteil der HC zugeführt, und dem Katalysator wird unter Hochtemperaturbedingungen ein hochsiedender Bestandteil der HC zugeführt, indem der Zeitpunkt der Sekundäreinspritzung unter Nieder- und Hochtemperaturbedingungen wie oben erwähnt variiert wird.
Ein Katalysator zur Abgasumwandlung kann seine Umwandlungswirkung nicht voll entfalten, wenn der Katalysator noch nicht erwärmt ist und die Katalysatortemperatur niedriger ist als seine Aktivierungstemperatur. In solch einem Fall können NC und NOx in großen Mengen freigesetzt werden. Obwohl bekannte Technologien vorhanden sind, um dieses Problem zu überwinden, wobei die HC und NOx reduziert werden und durch Verzögerung des Zündzeitpunkts eine Schnellbeheizung des Katalysators durchgeführt wird, neigt die Verzögerung des Zündzeitpunkts dazu, eine Herabsetzung der Verbrennungsstabilität zu bewirken, weshalb der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung begrenzt wird, um die Verbrennungsstabilität zu gewährleisten. Daher besteht ein Bedarf, eine Reduktion der HC und NOx und eine Erhöhung der Abgastemperatur zu erreichen, ohne sich ausschließlich auf die Verzögerung des Zündzeitpunkts zu stützen, und den zulässigen Bereich der Zündzeitpunktverzögerung durch Erhöhung der Verbrennungsstabilität zu erweitern. Diese Anforderungen werden aber von der konventionellen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung noch nicht in ausreichendem Maße erfüllt.
Obwohl das Gerät, das in der vorgenannten Patentschrift offenbart wird, darauf abzielt, eine Verbesserung der Katalysatorleistung bei niedrigen Temperaturen zu erreichen, indem, zusätzlich zur Primäreinspritzung während des letzten Abschnitts des Verdichtungshubs, vor der Primäreinspritzung die Sekundäreinspritzung durchgeführt wird, wenn die Katalysatortemperatur niedrig ist, ist die Kraftstoffmenge, die bei dieser Sekundäreinspritzung eingespritzt wird, äußerst klein und wird dem Katalysator in der Abgasleitung zugeführt, nahezu ohne im Brennraum zu verbrennen. Daher ist dieses Gerät nur dann von Vorteil, wenn ein NOx-Magerkatalysator eines Typs verwendet wird, der HC für die Reduktion von NOx benötigt. Zudem ermöglicht das Gerät das Erreichen der NOx-Umwandlungswirkung unter Zuführung von NC nur, nachdem der Katalysator in einem gewissen Maße aktiviert wurde, selbst wenn er sich noch im Niedertemperaturzustand befindet, und da HC in einem unerwärmten Zustand vor diesem Zeitpunkt freigesetzt werden, ist das Gerät nicht in der Lage, eine Verbesserung der Emissionen zu erreichen. Zudem hat das Gerät nicht die Funktion, eine Schnellbeheizung des Katalysators durch eine Erhöhung der Abgastemperatur durchzuführen.
Eine andere Maßnahme, um den Kaltstart einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zu bewältigen, besteht darin, wie in der japanischen ungeprüften Patentschrift Nr. 4-187841 offenbart, die Entzündlichkeit aufrechtzuerhalten, indem die Menge des Kraftstoffs erhöht wird, der während des Verdichtungshubs eingespritzt wird, solange die Innentemperatur der Zylinder niedrig ist. Das heißt, die Brennkraftmaschine wird so gesteuert, dass sie in einem Niederlastbereich die Einspritzung während des Verdichtungshubs durchführt, in einem mittleren Lastbereich eine geteilte Einspritzung während aufeinander folgender Ansaug- und Verdichtungshube durchführt, und in einem Hochlastbereich, wenn die Brennkraftmaschine warmgelaufen ist, die Einspritzung während des Ansaughubs durchführt, wogegen der obige Bereich der geteilten Einspritzung zur Hochlastseite hin erweitert wird, wenn die Brennkraftmaschine noch kalt ist.
Dieses Gerät hält die Zündbarkeit jedoch einfach aufrecht, indem es die Menge des Kraftstoffs, der im Verdichtungshub eingespritzt wird, um einen Betrag erhöht, der der Verschlechterung der Verdampfung und Zerstäubung entspricht, wenn die Brennkraftmaschine kalt ist, und das Gerät ist nicht in der Lage, eine Schnellbeheizung und Verbesserung der Emissionen durch Erhöhung der Abgastemperatur durchzuführen, während der Katalysator noch in seinem unerwärmten Zustand ist.
Angesichts oder oben beschriebenen Umstände ist eine Aufgabe dieser Erfindung die Bereitstellung einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, welche die Menge von Emissionen wie z. B. HC und NOx aus der Brennkraftmaschine reduziert, einen Verbrennungszustand bereitstellt, der die Schnellbeheizung des Katalysators durch Erhöhung der Abgastemperatur ermöglicht, und eine erhöhte Verzögerung des Zündzeitpunkts durch Erhöhung der Verbrennungsstabilität erlaubt, wobei diese kombinierten Wirkungen es ermöglichen, die schnellbeheizende und emissionsverbessernde Wirkung erheblich zu erhöhen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung wird ein Einspritzaggregat dazu veranlasst, während einer Zeitperiode von einem Ansaughub bis zu einem Zündzeitpunkt eine mindestens in zwei Schritte geteilte Einspritzung durchzuführen, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt. In dieser geteilten Einspritzung erzeugt ein späterer Einspritzzyklus eine Gemischmasse, die eine stellenweise Ungleichmäßigkeit im Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Brennraum aufweist, während ein früherer Einspritzzyklus eine Gemischmasse erzeugt, die so homogen und mager ist, dass sie durch die Flammenausbreitung durch den Kraftstoff, der im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, entzündet und verbrannt werden kann, wobei der Zündzeitpunkt verzögert wird. Durch die geteilte Einspritzung werden die HC und NOx reduziert und die Abgastemperatur erhöht. Außerdem wird die Verbrennungsstabilität erhöht, wodurch es möglich ist, den Zündzeitpunkt zusätzlich zu verzögern. Die HC- und NOx-reduzierende und die schnellbeheizende Wirkung kann daher durch die kombinierte Wirkung der geteilten Einspritzung und der Zündzeitpunktverzögerung erheblich erhöht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm, das eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das Einspritzzeitpunkte der früheren Einspritzung und der späteren Einspritzung in der geteilten Einspritzung zeigt;
3 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel des Regelvorgangs zeigt;
4 ist ein Diagramm, das Betriebsbereicheinstellungen zum Beispiel für die Regelung des Zündzeitpunkts zeigt;
5A–5C sind Diagramme, die Varianten von Kolben für die Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zeigen;
6 ist ein Diagramm, das einen Kolben für einen Schichtlademotor zeigt;
7 ist ein Diagramm, das die Ausgabe einer O₂-Sonde zeigt;
8 ist ein Diagramm, das Änderungen der Ausgabe einer O₂-Sonde zeigt, die beobachtet wurden, wenn die Rückkopplungsregelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt wurde, und entsprechende Änderungen eines Rückkopplungskorrekturfaktors;
9 ist ein Diagramm, das Änderungen des Masseanteils des verbrannten Kraftstoffs zeigt, die beobachtet wurden, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wurde, und wenn die einmalige Einspritzung in einem Ansaughub durchgeführt wurde;
10 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das einen Zustand darstellt, in dem Gemischmassen durch geteilte Einspritzung in einem Brennraum zerstreut sind;
11 ist ein Diagramm, das Änderungen der Flammenfrontfläche zeigt, die beobachtet wurden, wenn die geteilte Einspritzung und die einmalige Einspritzung durchgeführt wurden;
12 ist ein Diagramm, das die Abgastemperatur und die Kraftstoffeinsparungsrate zeigt, die beobachtet wurden, wenn der spätere Einspritzzeitpunkt während der Durchführung der geteilten Einspritzung auf verschiedene Weise geändert wurde, und wenn der Betrag der Zündzeitpunktverzögeruang während der Durchführung der einmaligen Einspritzung auf verschiedene Weise geändert wurde.
13A bis 13D stellen Graphen dar, wobei 13A die Abgastemperatur, 13B die HC-Konzentration, 13C die NOx-Konzentration und 13D den Drehzahlfluktuationsfaktor zeigt, die erhalten wurden, wenn die geteilte Einspritzung und die einmalige Einspritzung durchgeführt wurden;
14 ist ein Diagramm, das zeitabhängige Änderungen der HC-Reduktionsrate, der NOx-Reduktionsrate, der Abgastemperatur und der Fahrgeschwindigkeit einer fahrzeugmontierten Brennkraftmaschine zeigt;
15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zündzeitpunkt und dem indizierten mittleren Arbeitsdruck zeigt, wenn die einmalige Einspritzung im Ansaughub durchgeführt wird, und wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird;
16 ist ein Diagramm, das Änderungen der Fluktuationsrate Pi und anderer Parameter zeigt, die beobachtet wurden, wenn der Kraftstoffanteil, der in der späteren Einspritzung eingespritzt wird, auf verschiedene Weise geändert wird;
17 ist ein Diagramm, das Änderungen der Fluktuationsrate Pi und anderer Parameter zeigt, die beobachtet wurden, wenn der Startzeitpunkt der späteren Einspritzung auf verschiedene Weise geändert wird.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
1 zeigt ein Anwendungsbeispiel einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung. In dieser Zeichnung zeigt das Bezugszeichen 1 einen Motorhauptkörper an, der einen Zylinderblock 2 und einen Zylinderkopf 3 umfasst, in dem eine Vielzahl von Zylindern geformt sind. Ein Kolben 4 ist in jeden Zylinder eingepasst, und ein Brennraum 5 ist zwischen der Oberseite des Kolbens 4 und der Unterseite des Zylinderkopfs 3 geformt.
Ihr Aufbau wird nun auf eine spezifische Weise beschrieben. Eine Aussparung, die eine besondere Form aufweist, ist in der Unterseite des Zylinderkopfs 3 geformt, wobei die Aussparung eine obere Innenfläche des Brennraums 5 bildet. Die obere Innenfläche des Brennraums 5 weist zum Beispiel eine Halbdachform auf, wie dargestellt, und die Ansaugkanäle 6 und Auslasskanäle 7, die in den Brennraum 5 einmünden, sind in seiner oberen Innenfläche geformt. Auch wenn in der Zeichnung jeweils ein Ansaugkanal 6 und ein Auslasskanal 7 dargestellt sind, sind in einer bevorzugten Ausführungsform zwei Ansaugkanäle 6 und Auslasskanäle 7 jeweils einzeln in einer Richtung angeordnet, die senkrecht zur Zeichnungsebene liegt. Ferner sind jeweils ein Ansaugventil 8 und ein Auslassventil 9 in jedem Ansaugkanal 6 und Auslasskanal 7 vorgesehen. Die Ansaugventile 8 und die Auslassventile 9 werden von einem Ventilantrieb betätigt, der nicht dargestellt ist, um sich mit einer bestimmten Zeitsteuerung zu öffnen und zu schließen.
Zündkerzen 10 sind so in den Zylinderkopf 3 eingepasst, dass jede Zündkerze 10 etwa in der Mitte des Brennraums 5 angeordnet ist, wobei ihre Funkenstrecke sich in den Brennraums 5 hinein erstreckt.
Ein Einspritzaggregat 11, das Kraftstoff direkt in den Brennraum 5 einspritzt, ist an einem Umfangsabschnitt des Brennraums 5 vorgesehen. In der Ausführungsform, die in 1 gezeigt wird, ist das Einspritzaggregat 11 auf der Seite des Brennraums 5 neben dem Einlasskanal 6 mit dem Zylinderkopf 3 verbunden, und das Einspritzaggregat 11 ist so angeordnet, dass es den Kraftstoff schräg nach unten einspritzt, wobei das entfernte Ende des Einspritzaggregats 11 im Innenraum des Brennraums 5 angeordnet ist.
In der dargestellten Ausführungsform ist auch die Oberseite des Kolbens 4, der die Bodenfläche des Brennraums 5 bildet, allgemein flach geformt. Im Gegensatz zu einem später beschriebenen Kolben, der einen Hohlraum zum Einfangen des Gemischs aufweist (in 6 gezeigt), hat der Kolben 4 daher nicht die Funktion, ein Gemisch einzufangen und es um die Zündkerze herum zu sammeln, wenn der Kraftstoff vom obigen Einspritzaggregat 11 zur Oberseite des Kolbens 4 hin eingespritzt wird, während der Kolben 4 sich in einer Position nahe am oberen Totpunkt befindet.
Ferner ist eine Hochdruckpumpe 13 über eine Kraftstoffzuleitung 14 mit dem obigen Einspritzaggregat 11 verbunden. Die Hochdruckpumpe 13 und ein Hochdruckregler, der in einem Rücklaufkanal angeordnet ist, der nicht dargestellt ist, regeln gemeinsam den Kraftstoffdruck, der auf das Einspritzaggregat 11 ausgeübt wird, auf einen Druckpegel, der hoch genug ist, um die Kraftstoffeinspritzung in einen mittleren Abschnitt des Verdichtungshubs oder später zu ermöglichen.
Eine Einlassleitung 15 und eine Abgasleitung 16 sind mit dem obigen Motorhauptkörper 1 verbunden. Die Einlassleitung 15 ist hinter einem Ausgleichsbehälter 15b zu jedem Zylinder verzweigt, so dass für jeden Zylinder zwei verzweigte Leitungen 15a (wovon in der Zeichnung nur eine dargestellt ist) geformt sind, die parallel zueinander verlaufen. Die zwei Einlasskanäle 6 an den hinteren Enden der verzweigten Leitungen 15a münden in den Brennraum 5 ein, und ein Wirbelregelventil 17, das als Turbulenzverstärkungsmittel dient, ist in einer dieser verzweigten Leitungen 15a angeordnet. Wenn des Wirbelregelventil 17 geschlossen ist, wird im Brennraum 5 ein Wirbel durch die Ansaugluft erzeugt, die durch die andere verzweigte Leitung 15a eingeleitet wird, so dass die Turbulenz im Brennraum 5 verstärkt wird.
Als ein anderes Mittel zur Verstärkung der Turbulenz im Brennraum 5 kann in einer verzweigten Leitung statt des Wirbelregelventils 17 ein Ventil angeordnet sein, das einen Sturz erzeugt, oder die Anordnung kann derart sein, dass nahe am oberen Totpunkt des Verdichtungshubs eine Zermalmung zwischen der Oberseite des Kolbens und der oberen Innenfläche des Brennraums (Unterseite des Zylinderkopfes) erzeugt wird.
Ferner ist eine Drosselklappe 18 in der Mitte der Ansaugleitung 15 angeordnet, und diese Drosselklappe 18 wird von einem Elektroantrieb 19 wie z. B. einem Schrittmotor verstellt, um die Regelung der Ansaugluftmenge zu gestatten.
Eine Abgasrückführungsleitung (AGR)(nicht dargestellt), ist über ein AGR-Ventil (nicht dargestellt) mit dem Ausgleichsbehälter 15b verbunden, um nach dem Warmlauf des Motors die Einleitung von AGR-Gas zu ermöglichen.
Zum anderen sind in der Abgasleitung 16 eine Kohlendioxid (O₂)-Sonde 21 und ein Abgaskatalysator 22 mit Katalysatoren zum Umwandeln der Abgase angeordnet. Die obige O₂-Sonde 21 erkennt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Gemischs im Brennraum, indem sie die Sauerstoffkonzentration misst, und besteht aus einer Sonde (Lambdasonde), deren Ausgabe sich beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis ändert.
Auch wenn der Abgaskatalysator 22 aus einem Dreiwegekatalysator bestehen kann, ist es wünschenswert, Katalysatoren zu verwenden, die in der Lage sind, auch NOx zu reduzieren, die in einem Magergemisch enthalten sind, das ein höheres Luft/Kraftstoff-Verhältnis als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, da ein Fall auftreten kann, in welchem der Motor mit einem Magergemisch betrieben wird, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis nach der Erwärmung erhöht wurde, wie weiter unten beschrieben. D. h., während der Dreiwegekatalysator bekanntlich nur in der Nachbarschaft des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eine hohe Umwandlungsleistung gegen alle drei Schadstoffe NC, CO und NOx entfaltet, ist ein Katalysator verfügbar (NOx-Magerkatalysator), der nicht nur die gleiche Funktion wie der Dreiwegekatalysator erfüllt, sondern NOx auch in einem Magergemisch reduziert, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis über dem stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis liegt. Daher werden NOx unter mageren Betriebsbedingungen bevorzugt mit diesem Katalysator reduziert. Es ist jedoch anzumerken, dass auch der NOx-Magerkatalysator dieses Typs in der Nachbarschaft des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses seine maximale Umwandlungsleistung entfaltet.
Da der Abgaskatalysator 22 den NOx-Magerkatalysator enthält, kann die Katalysatortemperatur unter hohen Drehzahl- und Lastbedingungen leicht übermäßig ansteigen, wenn der Abgaskatalysator 22 direkt hinter einem Auspuffkrümmer 16a angeordnet (oder direkt damit verbunden) ist. Daher ist der Abgaskatalysator 22 direkt mit einem Abgasrohr 16b verbunden, das so mit dem Auspuffkrümmer 16a verbunden ist, dass der Abgaskatalysator 22 weiter weg vom Hauptmotorkörper 1 angeordnet ist als die Stelle direkt hinter dem Auspuffkrümmer 16a. Falls aber ein Dreiwegekatalysator verwendet wird, kann der Abgaskatalysator 22 direkt mit dem Auspuffkrümmer 16a verbunden werden, da der Dreiwegekatalysator wärmebeständige Eigenschaften aufweist.
Das Bezugszeichen 30 zeigt ein elektronisches Steuergerät (ECU) an, das die Motorsteuerung durchführt. In das ECU 30 werden Signale von einem Kurbelwinkelsensor 23, der den Kurbelwinkel des Motors erkennt, einem Gasdrosselsensor 24, der die Gasdrosselöffnung (d. h. die Gaspedalstellung) erkennt, einem Luftströmungsmesser 25, der die Menge der Ansaugluft erkennt, einem Wassertemperaturfühler 26, der die Temperatur des Motorkühlwassers erkennt, der obigen O₂-Sonde 21 usw. eingegeben.
Das ECU 30 umfasst einen Temperaturzustandsidentifikator 31, einen Lastzustandsdetektor 32, einen Kraftstoffeinspritzungsregler 33, einen Einspritzmengenrechner 34, einen Zündeinstellungsregler 35 und einen Drehzahlregler 36.
Der obige Temperaturzustandsidentifikator 31 ist vorgesehen, um den Temperaturzustand des Katalysators auf der Basis eines Temperaturmesssignals, das vom obigen Wassertemperaturfühler 26 zugeführt wird, zu schätzen und zu beurteilen, ob der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt. Wenn die Wassertemperatur unter der ersten Solltemperatur liegt, beurteilt der Temperaturzustandsidentifikator 31, dass der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, und wenn die Wassertemperatur höher ist als die erste Solltemperatur, beurteilt der Temperaturzustandsidentifikator 31, dass der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist. Dieser Temperaturzustandsbeurteilungsvorgang zur Bestimmung des Erwärmungszustands des Katalysators kann durch Durchführen der Wassertemperaturerkennung mit einer gleichzeitigen Beurteilung der Zeit, die seit dem Einschalten des Motors abgelaufen ist, oder durch direkte Messung der Katalysatortemperatur erfolgen.
Der obige Lastzustandsdetektor 32 misst die Motorbetriebsbedingungen, indem er die Motordrehzahl prüft, die aus einem Kurbelwellenwinkelsignal erhalten wird, das von Kurbelwinkelsensor 23 zugeführt wird usw., und die Motorlast, die aus der Gasdrosselöffnung erhalten wird, oder der Ansaugluftmenge, und der Drehzahl.
Der obige Kraftstoffeinspritzungsregler 33 ist vorgesehen, um den Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt und die Kraftstoffmenge, die vom Einspritzaggregat 11 eingespritzt wird, durch eine Einspritzaggregat-Treiberschaltung 37 zu regeln. Wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, regelt der Kraftstoffeinspritzungsregler 33 das Einspritzaggregat 11 so, dass eine geteilte Einspritzung durchgeführt wird, die mindestens in einem niedrigen Motorlastbereich mindestens zwei Einspritzzyklen während einer Periode von einem Ansaughub bis zu einem Zündzeitpunkt einschließt, wobei die zwei Einspritzzyklen eine spätere Einspritzung umfassen, die in einem mittleren Abschnitt des Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, und eine frühere Einspritzung, die vor der späteren Einspritzung durchgeführt wird.
Die obige geteilte Einspritzung kann in allen Betriebsbereichen des Motors durchgeführt werden, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, oder die Kraftstoffeinspritzung kann in einem Hochlastbereich nur im Ansaughub durchgeführt werden, um die Anforderungen an die Motorleistung zu erfüllen.
Der Einspritzzeitpunkt ist bevorzugt derart, dass die obige frühere Einspritzung während des Ansaughubs und die obige spätere Einspritzung während des Verdichtungshubs durchgeführt werden, wie in 2 gezeigt. Es wird besonders vorteilhaft, die spätere Einspritzung im mittleren Abschnitt des Verdichtungshubs oder später zu beginnen, jedoch nicht, bevor dreiviertel der Zeitperiode des Verdichtungshubs abgelaufen sind.
Hier bezieht sich der mittlere Abschnitt des Verdichtungshubs auf einen Zwischenabschnitt des Verdichtungshubs, der in drei gleiche Abschnitte unterteilt ist, d. h. in einen früheren, mittleren und späteren Abschnitt. Demnach bedeutet die Periode vom mittleren Abschnitt des Verdichtungshubs an oder später, doch bevor dreiviertel der Periode des Verdichtungshubs abgelaufen sind, eine Periode vom Zeitpunkt von 120° vor dem oberen Totpunkt (BTDC) an bis zum Zeitpunkt von 45° BTDC. Der Grund, weshalb die spätere Einspritzung bevorzugt in dieser Zeitperiode beginnen sollte, ist, dass die Verbrennungs stabilität beeinträchtigt wird, wenn der Zeitpunkt der späteren Einspritzung hinter dieser Zeitperiode liegt, wohingegen keine NOx-reduzierende und abgastemperaturerhöhende Wirkung erhalten wird, wenn der Zeitpunkt der späteren Einspritzung vor dieser Periode liegt.
In solch einem geteilten Einspritzungsmodus, der durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge vom obigen Einspritzmengenrechner 34 so berechnet, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 13 bis 17 abfällt, und die einzuspritzende Kraftstoffmenge wird vom obigen Kraftstoffeinspritzungsregler 33 in spezifische Anteile aufgeteilt, wodurch die Kraftstoffmengen geregelt werden, die durch die frühere Einspritzung und die spätere Einspritzung eingespritzt werden.
Im obigen Betrieb wird jeder der obigen früheren und späteren Einspritzzyklen so geregelt, dass Kraftstoff eingespritzt wird, der zur Hauptverbrennung beiträgt, die in einer Hauptverbrennungsperiode erfolgt. Allgemein wird im Verbrennungsvorgang, der in einem Brennraum stattfindet, eine Periode, in welcher bis zu etwa 10 Masseprozent des eingespritzten Kraftstoffs verbrannt werden, als Anfangsverbrennungsperiode bezeichnet, und eine Periode, in der etwa 10 bis 90 Masseprozent des eingespritzten Kraftstoffs verbrannt wird, wird Hauptverbrennungsperiode genannt. Wie nachstehend weiter ausgeführt, ist die Anfangsverbrennung, in welcher der durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoff gezündet und verbrannt wird, ein Verbrennungszyklus, der die Anfangsverbrennungsperiode und einen frühen Abschnitt der Hauptverbrennungsperiode umspannt. Die Kraftstoffmengen, die in den jeweiligen Einspritzzyklen eingespritzt werden, werden so geregelt, dass der Kraftstoff, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, ein Gemisch mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis erzeugt, das zur Flammenausbreitung durch Verbrennung des Kraftstoffs in der Lage ist, der durch die spätere Einspritzung in den Brennraum eingespritzt wird, so dass beide Kraftstoffanteile, die durch die frühere Einspritzung und spätere Einspritzung eingespritzt werden, zur Hauptverbrennung beitragen, und das Magergemisch, das durch den Kraftstoff erzeugt wurde, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wurde, langsam verbrannt wird.
Mit anderen Worten, die Kraftstoffmengen, die in den einzelnen Einspritzzyklen eingespritzt werden, werden so geregelt, dass eine Gemischmasse, in welcher der Kraftstoffanteil, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, und der Kraftstoffanteil, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, vermischt sind und durch die Flammenausbreitung durch Verbrennung des Kraftstoffs, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, verbrennen kann, selbst wenn der Kraftstoff, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, nicht alleine verbrennen kann. D. h., die Anteile des eingespritzten Kraftstoffs sind so geregelt, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum, das durch die frühere Einspritzung erhalten wird, 70 oder weniger erreicht, um ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen, das zur Flammenausbreitung von einer Flamme ausgehend in der Lage ist, die durch Verbrennung des Kraftstoffs erzeugt wird, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird. Der Kraftstoffanteil, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, wird auf 1/5 oder mehr (bzw. der Kraftstoffanteil, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, auf 4/5 oder weniger) der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs geregelt.
Auch der von der späteren Einspritzung eingespritzte Kraftstoffanteil wird auf 1/5 oder mehr der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs geregelt (d. h., der Kraftstoffanteil, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, auf 4/5 oder weniger). Daher liegt der Kraftstoffanteil, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, in einem Bereich zwischen 1/5 und 4/5. Die Kraftstoffmenge, die durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, ist bevorzugt so geregelt, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das durch die frühere Einspritzung allein im Brennraum erhalten wird, größer oder gleich dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Flammbarkeitsgrenze (d. h. einer Grenze des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, bei der ein Gemisch von sich aus brennen kann: etwa 30) innerhalb des oben genannten Bereichs liegt.
Vorzugsweise ist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum innerhalb des obigen Bereichs von 13 bis 17 auf ein Niveau geregelt, das dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis entspricht oder etwas höher ist. Der obige Einspritzmengenrechner berechnet die einzuspritzende Kraftstoffmenge so, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum mit dem Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt, durch eine rückkopplungsfreie Regelung oder eine Rückkopplungsregelung, die auf der Ausgabe der O₂-Sonde basiert, wie weiter unten ausführlicher beschrieben.
Ferner gibt der obige Zündzeitpunktregler 35 ein Steuersignal an eine Zündvorrichtung 38 aus und regelt dadurch den Zündzeitpunkt den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend. Auch wenn der Zündzeitpunkt im wesentlichen geregelt wird, um eine minimale Vorzündung für das beste Drehmoment (MBT) zu erreichen, wird er um einen bestimmten Betrag von der MBT verzögert, wenn die obige geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator mindestens in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich in seinem unerwärmten Zustand ist.
Der Drehzahlregler 36 regelt die Ansaugluftmenge oder den Zündzeitpunkt zum Beispiel derart, dass die Leerlaufdrehzahl, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, höher ist, als wenn der Katalysator warm ist.
Das obige ECU 30 ist auch so aufgebaut, dass es die Menge der Ansaugluft regelt, indem es auch ein Steuersignal an den Antrieb 19 zum Verstellen der Drosselklappe 18 ausgibt. D. h., das ECU 30 regelt die Öffnung der Drosselklappe 18 der Gasdrosselöffnung entsprechend, wenn der Motor zum Beispiel beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Hochlastbereich betrieben wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist oder bereits erwärmt wurde, wogegen das ECU 30 die Drosselklappe 18 öffnet, um die Menge der Ansaugluft zu erhöhen und dadurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erhöhen, wenn die Schichtladungsverbrennung durchgeführt wird, indem der Kraftstoff in einem Niederlastbereich nur im Verdichtungshub eingespritzt wird, zum Beispiel nach dem Warmlauf. Zudem steuert das ECU 30 das obige Wirbelregelventil 17, um einen Wirbel im Brennraum 5 zu erzeugen, wenn zum Beispiel die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
Ein Beispiel für den Regelvorgang dieser Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung wird nun Bezug nehmend auf ein Ablaufdiagramm von 3 gezeigt.
In 3 bezeichnet t1 den Zeitpunkt, an dem der Anlaufvorgang des Motors abgeschlossen ist. Während des Anlaufvorgangs bis zum Zeitpunkt t1 wird das Luft/Kraftstoff Verhältnis auf ein niedrigeres Niveau (fetteres Gemisch) als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis gehalten, um zum Beispiel das Anlaufdrehmoment zu erhalten, und die Kraftstoffeinspritzung aus dem Einspritzaggregat 11 wird nur im Ansaughub durchgeführt (Ansaughubeinspritzung). Der Grund für diese Anordnung ist, dass die Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungshubs (Verdichtungshubeinspritzung), wenn sie während des Anlaufvorgangs durchgeführt wird, eine schlechte Verdampfung und Zerstäubung und schließlich Fehlzündung verursachen kann, die auf die Benetzung der Zündkerze durch den Kraftstoff zurückzuführen ist, weshalb es wünschenswert ist, eine Ansaughubeinspritzung durchzuführen, um dem Kraftstoff Zeit zur Verdampfung und Zerstäubung zu lassen. Darüber hinaus wird der Zündzeitpunkt auf den Punkt von MBT eingestellt.
Die geteilte Einspritzung wird durchgeführt, wenn der Katalysator über den Anlaufendzeitpunkt t1 hinaus in seinem unrwärmten Zustand bleibt. Das heißt, die Kraftstoffeinspritzung vom Einspritzaggregat 11 wird in zwei getrennten Teilen durchgeführt, d. h., eine frühere Einspritzung, die während des Ansaughubs durchgeführt wird, und eine spätere Einspritzung, die im mittleren Abschnitt des Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird. Im Beispiel, das in 3 gezeigt wird, sind den früheren und späteren Einspritzzyklen gleiche Kraftstoffanteile zugewiesen.
In diesem geteilten Einspritzungsmodus wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt, das es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt. Im Beispiel, das in 3 gezeigt wird, ist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis während einer bestimmten Zeitperiode (t1 bis t3) unmittelbar nach dem Anlauf des Motors, wo innerhalb der Gesamtperiode, in welcher der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, die Katalysatortemperatur besonders niedrig ist, auf ein höheres Niveau als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingestellt (magereres Gemisch). Während die einzuspritzende Kraftstoffmenge durch rückkopplungsfreie Regelung der Ansaugluftmenge entsprechend berechnet wird, bis die O₂-Sonde 21 aktiviert ist, wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge vom Zeitpunkt t2 an auf der Basis der Ausgabe der O₂-Sonde 21 durch Rückkopplungsregelung berechnet, wobei ein „mageres" Luft/Kraftstoff-Verhältnis angestrebt wird, sobald die O₂-Sonde 21 des Katalysators aktiviert ist. Nach Ablauf einer bestimmten Zeitperiode wird vom Zeitpunkt t3 an eine Rückkopplungsregelung auf der Basis der Ausgabe der O₂- Sonde 21 durchgeführt, wobei das stöchiometrische Luft/Kraftstoff Verhältnis (λ = 1 ).
Zudem wird der Zündzeitpunkt verzögert, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist. In diesem Fall wird der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung den in 4 gezeigten Betriebsbereichen entsprechend variiert. D. h., im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich A, mit Ausnahme eines lastfreien Bereichs NL, wird der Zündzeitpunkt bis auf über den oberen Totpunkt hinaus verzögert, und der Verzögerungsbetrag nimmt mit zunehmender Last in diesem Bereich zu. In einem Bereich B mit höherer Last als im Bereich A (oder in einem Hochlastbereich mit einer bestimmten Last oder darüber) wird der Verzögerungsbetrag des Zündzeitpunkts mit zunehmender Last verringert und nähert sich MBT. Der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung wird auch im lastfreien Bereich so verringert, dass der Zündzeitpunkt vor dem oberen Totpunkt liegt. In 4 bezeichnet „1D" einen Leerlaufdrehzahlbereich.
Während der Zündzeitpunkt zur MBT-Seite hin vorgeschoben wird (bzw. die Verzögerung wird aufgehoben) und der obige geteilte Einspritzungsmodus abgebrochen wird, wenn die Katalysatortemperatur gestiegen ist, werden diese Umschaltvorgänge mit einer bestimmten Verzögerung durchgeführt, um Drehmomentstöße zu mindern. Vor allem, weil die Zündzeitpunktverzögerung hinsichtlich der Kraftstoffeinsparung eher nachteiliger ist als der obige geteilte Einsprtzungsmodus (siehe 13A bis 13D, die weiter unten erläutert werden), wird am Zeitpunkt t4, wenn die Katalysatortemperatur in einem gewissen Umfang gestiegen ist, der Zündzeitpunkt vorgeschoben, und dann wird am Zeitpunkt t5, wenn der Katalysator warm ist, der geteilte Einspritzungsmodus abgebrochen. Alternativ dazu können der Vorschub des Zündzeitpunkts zur MBT-Seite hin und der Abbruch des geteilten Einspritzungsmodus gleichzeitig erfolgen.
Die Drehzahl wird so geregelt, dass sie mit einer Leerlaufdrehzahl übereinstimmt, die zum Beispiel der Kühlwassertemperatur nach dem Anlauf des Motors entsprechend eingestellt wird. Konventionell wird die Drehzahl schnell auf eine normale Leerlaufdrehzahl reduziert, die der Kühlwassertemperatur direkt nach dem Anlauf entspricht, wie durch unterbrochene Linien dargestellt. Doch in dieser Ausführungsform wird die Drehzahl so geregelt, dass sie höher ist als die normale Leerlaufdrehzahl, die der Kühlwassertemperatur entspricht, indem eine Solldrehzahl korrigiert wird, zum Beispiel direkt nach dem Anlauf, wenn der Motor noch nicht warm ist, und die Drehzahl wird dann allmählich auf die normale Leerlaufdrehzahl herabgesetzt. Die Verbrennungsstabilität wird verbessert, und eine Zündzeitpunktverzögerungsgrenze wird erweitert, wenn die Drehzahl direkt nach dem Anlauf des Motors auf die oben beschriebene Weise erhöht wird.
In der Brennkraftmaschine, die in 1 gezeigt wird, ist jeder Kolben 4 ein flacher Kolben, der nicht das Gemisch notwendigerweise schichtet. In diesem Motor (nachstehend Nicht-Schichtlademotor genannt) wird Kraftstoff im Ansaughub eingespritzt und eine homogene Verbrennung wird durchgeführt, nachdem der Katalysator erwärmt wurde. Obwohl die homogene Verbrennung in allen Betriebsbereichen bei λ = 1 durchgeführt werden kann, kann sie in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich bei einem „mageren" Luft/Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt werden.
In dieser Beschreibung bezieht sich ein „Flachkolben" auf einen Kolben, der nicht mit dem obigen Hohlraum 12 zur Schichtladungsbildung versehen ist. Flachkolben beschränken sich nicht nur auf solche, die eine völlig flache Oberseite haben, wie der in 1 oder 5(a) gezeigte, sondern schließen auch solche mit ein, die eine ausgekehlte oder vorspringende Oberseite aufweisen, um eine Brennraumform zu ergeben, die den Anforderungen entspricht, wie die Kolben 41, 43, die in 5B–5C gezeigt werden, solange diese ausgekehlte oder vorspringende Oberseitenform nicht zur Schichtladungsbildung vorgesehen ist.
Statt des oben erwähnten Flachkolbens kann ein Kolben 45 verwendet werden, der auf seiner Oberseite einen schichtladungsbildenden Hohlraum 46 aufweist, wie in 6 gezeigt. Da der Hohlraum 46 den vom Einspritzaggregat 11 eingespritzten Kraftstoff auffängt und ihn zur Zündkerze 10 hin umleitet, wird ein Schichtladungszustand erhalten, in dem ein relativ fettes Gemisch stellenweise in der Nachbarschaft der Zündkerze 10 verteilt ist, wenn die Kraftstoffeinspritzung aus dem Einspritzaggregat 11 im mittleren Abschnitt des Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird. In Brennkraftmaschinen dieses Typs (nachstehend Schichtlademotor genannt), die so ausgelegt sind, dass ein Schichtladungszustand erhalten werden kann, wird der Kraftstoffeinspritzungsmodus so geregelt, dass zum Beispiel den Betriebsbedingungen entsprechend die Schichtladungsverbrennung oder die homogene Verbrennung durchgeführt wird, nachdem der Katalysator enrwärmt wurde. Im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich wird der Kraftstoffeinspritzungsmodus zum Beispiel auf die Verdichtungshubeinspritzung umgeschaltet, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird zur Durchführung der Schichtladungsverbrennung erhöht (mageres Gemisch), wogegen im hohen Drehzahl- und Lastbereich der Kraftstoffeinspritzungsmodus auf die Ansaughubeinspritzung umgeschaltet wird. In mittleren Lastbereich, einem Bereich, der zwischen einem Schichtladungsverbrennungsbereich und einem homogenen Verbrennungsbereich liegt, sind außerdem Fälle vorhanden, wo die geteilte Einspritzung den Ansaug- und den Verdichtungshub umspannt, wenn dies erforderlich ist, um einen plötzliche Änderung des Drehmoments zu vermeiden.
Von den Kraftstoffregelvorgängen unter den Regelvorgängen, die im obigen Ablaufdiagramm gezeigt werden, werden die Rückkopplungsregelung, die unter mageren Bedingungen während einer Zeitperiode zwischen t2 und t3 durchgeführt wird, und die Rückkopplungsregelung, die am Zeitpunkt t3 oder später durchgeführt wird, Bezug nehmend auf 7 und 8 erläutert.
Die Ausgabe der obigen O₂-Sonde 21 ändert sich plötzlich, wenn das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) erreicht wird, wie in 7 gezeigt. In der Rückkopplungsregelung auf der Basis der Ausgabe der O₂-Sonde 21 wird allgemein ein Rückkopplungskorrekturfaktor, der auf die Menge des eingespritzten Kraftstoffs angewandt wird, durch einen Wert P variabel gemacht, der eine Proportionalitätskonstante ist, und durch einen Wert 1, der eine Integrationskonstante ist, wie in 8 gezeigt, wobei nur eine Konstante, der Wert P oder der Wert 1, in eine Richtung zur Verringerung der eingespritzten Kraftstoffmenge geändert wird, wenn die Ausgabe der O₂-Sonde 21 einen fetten Zustand anzeigt, während nur eine Konstante, der Wert P oder der Wert 1, in eine Richtung zur Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge gerändert wird, wenn die Ausgabe der O₂-Sonde 21 einen mageren Zustand anzeigt. Darüber hinaus werden Verzögerungszeiten T_RL und T_LR gesetzt, um die Umkehrung des Rückkopplungskorrekturfaktors zu erlauben, wenn die Ausgabe der O2-Sonde 21 jeweils aus dem fetten Zustand in den mageren Zustand oder aus dem mageren Zustand in den fetten Zustand umgekehrt wird.
Wenn in der obigen Rückkopplungsregelung die Kraftstoffeinspritzung während der Zeitperiode t2 bis t3 geregelt werden soll, um ein bestimmtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der „mageren" Seite des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff- Verhältnisses zu erhalten, wird die Verzögerungszeit T_RL so angepasst, dass sie größer ist als die Verzögerungszeit T_LR, wodurch bewirkt wird, dass der Durchschnittswert des Rückkopplungskorrekturfaktors in die Richtung zur Verringerung der eingespritzten Kraftstoffmenge verschoben wird. Dadurch wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis so angepasst, dass es zur „mageren" Seite des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verschoben wird. Eine dementsprechende Anpassung ist auch möglich, indem der obige Wert P oder I abhängig davon differenziert wird, ob die Ausgabe der O₂-Sonde 21 den fetten Zustand oder den mageren Zustand anzeigt.
Im Rückkopplungsregelvorgang vom Zeitpunkt t3 an werden die Verzögerungszeiten T_RL und T_LR auf der „fetten" Seite und der „mageren" Seite auf gleiche Einstellungen eingestellt, um dadurch den normalen Regelvorgang durchzuführen, bei dem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis angepasst wird.
Die Arbeitsweise der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung wird im Folgenden beschrieben.
Wenn der Katalysator nach dem Einschalten des Motors in seinen unerwärmten Zustand ist, wird die Kraftstoffeinspritzung vom Einspritzaggregat in zwei getrennten Zyklen durchgeführt, d. h. die frühere Einspritzung wird während des Ansaughubs durchgeführt und die spätere Einspritzung wird im mittleren Abschnitt des Verdichtungshubs oder später durchgeführt, während die einzuspritzende Kraftstoffmenge so geregelt wird, dass mindestens im niedrigen Lastbereich im ganzen Brennraum ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis erzeugt wird, das etwa gleich oder leicht größer als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist.
Der Kraftstoff, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, breitet sich durch den ganzen Brennraum aus und erzeugt eine Gemischschicht, die zwar mager, aber zur Flammenausbreitung in der Lage ist, da vor der Zündung ausreichend Zeit zur Verdampfung, Zerstäubung und Ausbreitung verfügbar ist. Der Kraftstoff, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, bewirkt, dass mindestens in der Nachbarschaft der Zündkerze 10 ein Gemisch mit einem relativ kleinen Luft/Kraftstoff-Verhältnis vorhanden ist. D. h., im Schichtlademotor, der in 1 gezeigt wird, wird der Kraftstoff, durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, in einer hohen Konzentration um die Zündkerze 10 herum gesammelt, wodurch ein Schichtladungszustand erhalten wird, in welchem eine Gemischschicht ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, das größer oder gleich dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist.
Wenn solche Kraftstoffversorgungsbedingungen hergestellt sind, werden die Zündung und Verbrennung des Gemischs auf eine erwünschte Weise durchgeführt, die NC und NOx in den vom Motor abgegebenen Abgasen werden reduziert, was zu einer Verbesserung der Emissionen führt, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, und die Abgastemperatur wird erhöht, so dass die Katalysatorbeheizung durchgeführt wird. Diese vorteilhaften Wirkungen werden spezifisch unter Bezugnahme auf 9 bis 17 erläutert. Die geteilte Einspritzung, auf die in 9 bis 17 Bezug genommen wird, bedeutet eine geteilte Einspritzung, bei welcher die frühere Einspritzung während des Ansaughubs durchgeführt wird und die spätere Einspritzung während des Verdichtungshubs durchgeführt wird, wie in der vorherigen Ausführungsform gezeigt.
9 zeigt Daten über Änderungen des Masseanteils des verbrannten Kraftstoffs, die beobachtet wurden, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wurde, und wenn die einmalige Ansaughubeinspritzung (Vergleichsbeispiel) unter den folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt wurde:

Motordrehzahl: 1500 U/min

Indizierter mittlerer Arbeitsdruck (Pe): 294 kPa

Zündeinstellung: Im Verdichtungshub zum oberen Totpunkt (TDC) hin verzögert (wobei MBT etwa 10° BTDC ist.)
Wie in diesem Diagramm gezeigt, nimmt in der geteilten Einspritzung der Masseanteil des verbrannten Kraftstoffs schneller zu und die Verbrennung in einem späteren Abschnitt einer Verbrennungsperiode ist langsamer als in der einmaligen Einspritzung des obigen Vergleichsbeispiels. Es wird angenommen, dass die Gründe, weshalb dieses Phänomen auftritt, wie folgt sind: Hier wird angenommen, dass die obige geteilte Einspritzung in einem Nicht-Schlichtlademotor durchgeführt wird, der Flachkolben verwendet, wie in 1 (oder 5) gezeigt. Die Zeitperiode von der späteren Einspritzung im mittleren Abschnitt des Verdichtungshubs oder später bis zum Zündzeitpunkt ist so kurz, dass der Kraftstoff nicht geschichtet und nicht völlig gleichmäßig verteilt ist, und im Brennraum ein Gemisch erzeugt wird, das eine stellenweise Ungleichmäßigkeit aufweist. D. h., es wird ein Zustand erzeugt, in dem Gemischmassen M_R, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, im Brennraum zerstreut sind, wie in 10 gezeigt. Da in diesem Zustand auch in der Nähe der Zündkerze stellenweise fette Gemischmassen vorhanden sind, werden die Zündung und Verbrennung auf zufrieden stellende Weise durchgeführt. Da in diesem Zustand relativ fette Gemischmassen und magere Gemischmassen zerstreut sind, ist die Flammenausbreitungsgescliwindigkeit ungleichmäßig, und während des Flammenausbreitungsvorgangs werden in einer Flammenfront unregelmäßige Vertiefungen und Vorsprünge geformt. Es wird angenommen, dass die Verbrennung im früheren Abschnitt der Verbrennung beschleunigt wird, da die obige Ungleichmäßigkeit die Flammenfläche vergrößert und dazu beiträgt, die Verbrennung zu beschleunigen.
Der Kraftstoff, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, wird zudem mit dem Kraftstoffanteil vermischt, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, wodurch ein homogenes und mageres Gemisch erzeugt wird, und dieses Magergemisch wird verbrannt. Mit anderen Worten, die Flamme breitet sich von einem zuerst brennenden, relativ fetten Gemisch zum mageren Gemisch aus, was die langsame Verbrennung des mageren Gemischs zur Folge hat. Daher wird angenommen, dass die langsame Verbrennung in einer zweiten Hälfte jedes Verbrennungshubs stattfindet.
Auch der Schichtlademotor, der den Kolben 45 mit dem Hohlraum 46 verwendet, der in 6 gezeigt wird, weist die Tendenz auf, eine langsame Verbrennung in der zweiten Hälfte jedes Verbrennungshubs zu erzeugen, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird. Er weist auch eine Tendenz auf, dass der Masseanteil des verbrannten Kraftstoffs schneller zunimmt, wenn der Schichtungsgrad relativ gering ist. D. h., wenn die obige geteilte Einspritzung durchgeführt wird, wird das Gemisch, das durch den Kraftstoff erzeugt wird, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, stellenweise um die Zündkerze herum verteilt, und selbst innerhalb des stellenweise verteilten Bereichs wird eine Ungleichmäßigkeit erzeugt, da die Zeitperiode von der späteren Einspritzung bis zur Zündung so kurz ist. Wenn der Schichtungsgrad relativ gering ist, sind ein relativ fettes Gemisch und ein mageres Gemisch um die Zündkerze herum vorhanden. Dadurch wird die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ungleichmäßig, was eine Zunahme der Flammenfläche bewirkt, wodurch die Verbrennung im früheren Abschnitt der Verbrennung beschleunigt wird. Da das magere Gemisch zudem in einem äußeren Bereich des Brennraums gebildet wird, tritt die langsame Verbrennung in der zweiten Hälfte des Verbrennungshubs auf. Vorstehend wurde beschrieben, was vermutlich in einem Schichtlademotor auftreten würde.
Die Verbrennung durch geteilte Einspritzung, wie in 9 gezeigt, hat während der Zeitperiode, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, Wirkungen wie z. B. eine Reduktion der HC und NOx, eine Erhöhung der Abgastemperatur und eine Ausweitung des zulässigen Bereichs der Zündzeitpunktverzögerung zur Folge.
Das heißt, die durch die obige geteilte Einspritzung verlängerte Verbrennung in der zweiten Hälfte der Verbrennungsperiode dient dazu, die Abgastemperatur zu erhöhen und die HC-Emissionen zu verbrennen und zu reduzieren. Zudem hat die langsame Verbrennung in der zweiten Hälfte der Verbrennungsperiode auch eine Reduktion der NOx zur Folge.
Überdies führt die beschleunigte Zunahme des Masseanteils des verbrannten Kraftstoffs zur Beschleunigung der Verbrennung in einer ersten Hälfte der Verbrennungsperiode und zu einer Zunahme der Verbrennungsstabilität. Wenn die Verbrennungsstabilität auf diese Weise erhöht wird, ist es möglich, den Betrag der Zündzeitpunktverzögerung zu erhöhen. Aus dem obigen ist zu entnehmen, dass selbst bei gleichem Verzögerungsbetrag in der geteilten Einspritzung die HC und NOx stärker reduziert werden und die Abgastemperatur mehr erhöht wird als in der einmaligen Einspritzung. Da der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung erhöht wird, wird die schnellbeheizende und die HC- und NOx-reduzierende Wirkung sogar zusätzlich verstärkt.
11 zeigt Daten über Änderungen der Fläche einer Flamme (oder Flammenfrontfläche) in Beziehung zum Kurbelwinkel vom Zündzeitpunkt, die beobachtet wurden, wenn die einmalige Ansaughubeinspritzung und die geteilte Einspritzung durchgeführt wurde, um den Einfluss der geteilten Einspritzung auf die Flammenfrontfläche zu untersuchen. Wie diesem Diagramm zu entnehmen ist, nimmt die Flammenfrontfläche in der geteilten Einspritzung im Vergleich zur einmaligen Einspritzung schneller zu. Daraus ist zu ersehen, dass die Verbrennungsstabilität verbessert und der zulässige Bereich der Zündzeitpunktverzögerung erhöht wird.
12 zeigt Änderungen der Kraftstoffeinsparungsrate und der Abgastemperatur, die beobachtet wurden, wenn der Zeitpunkt der späteren Einspritzung gerändert wird, wobei in der einmaligen Ansaughubeinspritzung der Zündzeitpunkt vom Punkt von MBT zu einer Verzögerungsseite hin verschoben wurde, und in der geteilten Einspritzung der Zündzeitpunkt auf den Punkt von MBT geregelt wurde. Die verwendeten Betriebsbedingungen waren eine Motordrehzahl von 1500 U/min und ein Wellenleistungsanteil des indizierten mittleren Arbeitsdrucks (Pe) von 294 kPa. Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, nimmt die Abgastemperatur zu und die Kraftstoffeinsparung nimmt ab, wenn im Falle der einmaligen Ansaughubeinspritzung der Einspritzzeitpunkt zunehmend verzögert wird. Zum anderen nimmt die Abgastemperatur zu und die Kraftstoffeinsparung nimmt ab, wenn im Falle der geteilten Einspritzung der spätere Einspritzzeitpunkt zunehmend von etwa 90° BTDC (vor dem oberen Totpunkt) im Verdichtungshub verzögert wird.
Ein Vergleich dieser Fälle zeigt, dass die Kraftstoffeinsparungsrate in der geteilten Einspritzung abnimmt, wenn Abgastemperatur gleich ist. (Die Abgastemperatur nimmt zum Beispiel um 60°C zu, wenn der Einspritzzeitpunkt bei in einmaligen Ansaughubeinspritzung vom Punkt von MBT verzögert wird). Zusammenfassend kann durch Verzögerung des Einspritzzeitpunkts in der geteilten Einspritzung die Abgastemperatur stärker erhöht werden als in der einmaligen Einspritzung, unter der Voraussetzung, dass die Abnahme der Kraftstoffeinsparung etwa auf dasselbe Niveau gehalten wird. Außerdem ist es möglich, die Abgastemperatur in noch höherem Maße zu erhöhen, wenn der Zündzeitpunkt verzögert wird, während die geteilte Einspritzung durchgeführt wird.
13A bis 13D zeigen Messergebnisse der Abgastemperatur, HC- und NOx-Konzentrationen in den Abgasen, die aus dem Brennraum austreten, und den Motordrehzahlfluktuationsfaktor ΔRPM (Standardabweichung), die einer Prüfung eines Vergleichsbeispiels entnommen wurden, bei dem der Zündzeitpunkt in der einmaligen Ansaughubeinspritzung verzögert wurde, und des er findungsgemäßen Anwendungsbeispiels, bei dem die Zündeinstellung in der geteilten Einspritzung verzögert wurde, wobei die Prüfung mit dem Zündzeitpunktverzögerungsbetrag durchgeführt wurde, der angepasst war, um die Menge des Kraftstoffverbrauchs in beiden Beispielen an eine Motordrehzahl von 1500 U/min unter niedrigen Lastbedingungen anzugleichen (der Zündzeitpunkt war sowohl im Vergleichsbeispiel als auch im Anwendungsbeispiel TDC verzögert). Wie diesem Diagramm zu entnehmen ist, ist im erfindungsgemäßen Anwendungsbeispiel selbst unter gleichen Betriebsbedingungen und bei gleichem Kraftstoffverbrauch die Abgastemperatur wesentlich höher, die HC- und NOx-Konzentrationen geringer und der Motordrehzahlfluktuationskoeffizient ΔRPM kleiner als im Vergleichsbeispiel.
Es wird angenommen, dass dies auf die höhere Abgastemperatur zurückzuführen ist, und die HC werden reduziert, weil die Verbrennung wie oben beschrieben im späteren Abschnitt der Verbrennung durch die geteilte Einspritzung verlangsamt wird, und die NOx werden reduziert, weil die Verbrennung eines Magergemischs, das durch die frühere Einspritzung erzeugt wird, einen langsamen Verbrennungsvorgang bewirkt, zum Beispiel wird die Verbrennungsstabilität durch die Beschleunigung der Verbrennung im früheren Teil der Verbrennungsperiode verbessert, und so weiter.
Wie oben beschrieben, werden die HC und NOx selbst dann reduziert, wenn der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung gleich ist, und eine schnellbeheizende Wirkung wird durch die Abgastemperatur erreicht, die in der geteilten Einspritzung mehr erhöht wird als in einmaligen Einspritzung. Da der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung zudem um einen Betrag erhöht werden kann (der Motordrehzahlfluktuationsfaktor RPM wird reduziert), der der Erhöhung der Abgastemperatur entspricht, werden die NC- und NOx-reduzierende Wirkung und die schnellbeheizende Wirkung weiter erhöht.
14 zeigt Messergebnisse der HC-Reduktionsrate, der NOx-Reduktionsrate und der Abgastemperatur, die gemessen wurden, wenn die einmalige Einspritzung im Ansaughub durchgeführt wurde und wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wurde, beim Fahren eines Kraftfahrzeugs, der mit der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ausgestattet war. Wie diesem Diagramm zu entnehmen ist, wird die Erhöhung der Abgastemperatur bei der geteilten Einspritzung im Vergleich zur einmaligen Ansaughubeinspritzung beschleunigt, wodurch die Zeitperioden, die jeweils erforderlich sind, damit die HC-Reduktionsrate und die NOx-Reduktionsrate 50% erreichen, erheblich verkürzt werden (jeweils um ta und tb, wie dargestellt).
15 zeigt Daten über die Beziehung zwischen dem Zündzeitpunkt und dem indizierten mittleren Arbeitsdruck, die geprüft wurde, wenn die einmalige Ansaughubeinspritzung durchgeführt wurde, und wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wurde. Auch wenn der indizierte mittlere Arbeitsdruck (Drehmoment) abnimmt, wenn der Zündzeitpunkt verzögert wird, ist der Abnahmegrad des indizierten mittleren Arbeitsdrucks in der geteilten Einspritzung kleiner als in der einmaligen Ansaughubeinspritzung, wie aus diesem Diagramm zu ersehen ist.
Den obigen Daten ist zu entnehmen, dass im Vergleich zu dem Fall, wo der Zündzeitpunkt in der einmaligen Einspritzung verzögert wird, erfindungsgemäß eine Verringerung des Drehmoments und des Kraftstoffeinsparung reduziert werden kann, indem die geteilte Einspritzung durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt verzögert wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
Bezug nehmend auf 16 und 17 werden im Folgenden die wünschenswerten Bereiche der Kraftstoffanteile, die von der späteren Einspritzung und der früheren Einspritzung eingespritzt werden, und des Zeitpunkts der späteren Einspritzung erläutert.
16 zeigt Daten über die Beziehung zwischen dem Kraftstoffanteil, der durch die spätere Einspritzung einzuspritzen ist (oder dem Verhältnis des durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs) und der Fluktuationsrate Pi (indizierter mittlerer Arbeitsdruck), der Abgastemperatur, der Kraftstoffeinsparungsrate, der HC-Emissionsmenge und der NOx-Emissionsmenge. Die verwendeten Betriebsbedingungen waren eine Motordrehzahl von 1500 U/Min., ein Wellenleistungsanteil des indizierten mittleren Arbeitsdrucks (Pe) von 294 kPa und eine Motorkühlwassertemperatur von 40,0°C, wobei der Zündzeitpunkt im Verdichtungshub zum oberen Totpunkt (TDC) hin verzögert wurde. Wie aus diesem Diagramm zu ersehen ist, wird keine ausreichende abgastemperaturerhöhende Wirkung und NC- und NOx-reduzierende Wirkung erreicht, wenn der Kraftstoff anteil, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, kleiner als 20% (1/5) ist. Wenn der Kraftstoffanteil, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, größer oder gleich 20% (1/5) ist, nehmen die abgastemperaturerhöhende und die HC- und NOx-reduzierenden Wirkungen der Zunahme des Kraftstoffanteils, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, entsprechend zu, doch die Fluktuationsrate Pi und die Kraftstoffeinsparungsrate nehmen graduell zu. Wenn der Kraftstoffanteil, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, größer als 80% ist, übersteigt die Fluktuationsrate Pi ihren zulässigen Wert und die Verbrennungsstabilität geht verloren.
Daher ist es wünschenswert, den Kraftstoffanteil, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, in einen Bereich von 20% bis 80% (1/5 bis 4/5) zu halten, um die Verbrennungsstabilität und das Drehmoment aufrechtzuerhalten und zugleich die abgastemperaturerhöhende Wirkung und die NC- und NOxreduzierende Wirkung zu gewährleisten. Wenn dies erfüllt wird, liegt der Kraftstoffanteil, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, in einem Bereich von 4/5 bis 1/5. Zudem sind die abgastemperaturerhöhende Wirkung und die HC- und NOx-reduzierende Wirkung um so größer, je größer der Kraftstoffsanteil ist, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, das heißt, je kleiner der Kraftstoffanteil ist, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, solange diese Anteile innerhalb der obigen Bereiche liegen. Da aber die Fluktuationsrate Pi zunimmt, nimmt die Kraftstoffeinsparungsrate zu und der zulässige Bereich der Zündzeitpunktverzögerung wird verkleinert. Andererseits, je höher der Kraftstoffanteil ist, der durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, umso niedriger sind die Kraftstoffeinsparungsrate und die Fluktuationsrate Pi, so dass der zulässige Bereich der Zündzeitpunktverzögerung erweitert wird.
Unter diesen Bedingungen kann die abgastemperaturerhöhende Wirkung und die HC- und NOx-reduzierende Wirkung durch einen kombinierten Einfluss der geteilten Einspritzung und der Zündzeitpunktverzögerung erhöht werden, wenn die Verbrennungsstabilität erhöht wird, indem die Kraftstoffmenge, die durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, auf ein Niveau geregelt wird, das größer oder gleich der Kraftstoffmenge ist, die durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird (50% oder weniger bezüglich des Kraftstoffanteils, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird), und der Betrag der Zündzeitpunkt verzögerung zum Beispiel auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert wird.
In einem extremen Niederlastbereich wie z. B. dem Leerlaufbereich, in dem die Menge der Kraftstoffzuführung in den Brennraum klein ist, nähern sich die Einspritzimpulslängen, die Teilmengen des eingespritzten Kraftstoffs entsprechen (oder die Impulslängen, die die Ventilöffnungsperioden des Einspritzaggregats bestimmen) einer minimal regelbaren Einspritzimpulslänge. Wenn die Kraftstoffmenge, die durch die frühere Einspritzung eingespritzt wird, von der Kraftstoffmenge abweicht, die durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, tritt daher die Möglichkeit auf, dass die Einspritzimpulslänge, die der kleineren einzuspritzenden Kraftstoffmenge entspricht, die minimale Einspritzimpulslänge unterschreitet, was die Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge erschwert. Unter solchen Bedingungen ist es wünschenswert, die Kraftstoffmenge, die durch die spätere Einspritzung und die frühere Einspritzung eingespritzt wird, auszugleichen (50% des Kraftstoffs, der durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird).
17 zeigt die Beziehung zwischen dem Startzeitpunkt der späteren Einspritzung und der Fluktuationsrate Pi und der Abgastemperatur, das unter Betriebsbedingungen mit einer Motordrehzahl von 1500 U/min, einem Wellenleistungsanteil des indizierten mittleren Arbeitsdrucks (Pe) von 294 kPa und einer Kühlwassertemperatur von 40,0°C geprüft wurde, wobei der Zündzeitpunkt im Verdichtungshub zum oberen Totpunkt (TDC) hin verzögert wurde. Wie diesem Diagramm zu entnehmen ist, wird die abgastemperaturerhöhende Wirkung kaum erreicht, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung vor 120° BTDC liegt. Die abgastemperaturerhöhende Wirkung wird verstärkt, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung auf oder über 120° BTDC hinaus verzögert wird. Wenn die Fluktuationsrate Pi zunimmt und der Startpunkt der späteren Einspritzung über 60° BTDC hinaus verzögert wird, übersteigt die Fluktuationsrate Pi ihr zulässiges Niveau und die Verbrennungsstabilität geht verloren.
Wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung innerhalb eines Bereichs von 120° BTDC bis 60° BTDC geregelt wird, wenn der Zündzeitpunkt zum TDC hin verzögert wird, ist es möglich, geeignete Kraftstoffverdampfungs- und -zerstäubungszeiten vorzusehen, wodurch eine abgastemperaturerhöhende Wirkung erreicht wird und gleichzeitig die Verbrennungsstabilität gewährleistet wird. Da es möglich ist, die abgastemperaturerhöhende Wirkung zu verstärken, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung nicht bis zum TDC verzögert wird, kann der Startpunkt der späteren Einspritzung innerhalb eines Bereichs von 120°BTDC bis 45°BTDC geregelt werden.
Im extremen Niederlastbereich, wo die Kraftstoffmenge, die dem Brennraum zugeführt wird, klein ist, ist es vom Gesichtspunkt der Kraftstoffverdampfung und -zerstäubung her möglich, den Einspritzzeitpunkt ausreichend zu verzögern und dabei den Zeitpunkt der späteren Einspritzung in einen Bereich zu halten, der nicht hinter 45°BTDC liegt.
Da es zudem möglich ist, die Verbrennungsstabilität zu erhöhen, indem die Kraftstoffmenge, die durch die spätere Einspritzung eingespritzt wird, auf ein relativ niedriges Niveau (16) geregelt wird, kann der Startpunkt der späteren Einspritzung innerhalb eines Bereichs von 120°BTDC bis 45°BTDC geregelt werden, wobei der Zündzeitpunkt auf einen Punkt hinter dem TDC geregelt wird.
Der Vorrichtung und dem Verfahren zur Beheizung eines Katalysators mit dem Gerät der obigen Ausführungsform gemäß wird die in zwei Schritte geteilte Einsprizung durchgeführt, umfassend den früheren Einspritzzyklus in der Periode des Ansaughubs und den späteren Einspritzzyklus im mittleren Abschnitt der Verdichtungshubs oder später (45°BTDC oder später), wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wobei der spätere Einspritzzyklus ein Gemisch erzeugt, das eine stellenweise Ungleichmäßigkeit aufweist, wobei zum Beispiel Gemischmassen, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, im Brennraum zerstreut sind, und der frühere Einspritzzyklus ein Gemisch erzeugt, das, wenn es mit dem Kraftstoffanteil vermischt wird, das im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, ein hohes (mageres) Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, das zur Flammenausbreitung durch Verbrennung des im späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoffs in der Lage ist. Dadurch wird die Zündung und Verbrennung in der ersten Hälfte der Verbrennungsperiode beschleunigt die Verbrennungsstabilität erhöht, während die HC und NOx durch die langsame Verbrennung des obigen Gemischs mit dem hohen (mageren) Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der zweiten Hälfte der Verbrennungsperiode reduziert werden. Da ferner durch die Erhöhung der Abgastemperatur der katalysatorbeheizende Betrieb durchgeführt wird und die Verbrennungsstabilität verbessert wird, wird der zulässige Bereich der Zündzeitpunktverzögerung erweitert und die kombinierte Wirkung der geteilten Einspritzung und der Zündzeitpunktverzögerung dient dazu, die HC- und NOx-reduzierende und schnellbeheizende Wirkung noch mehr zu erhöhen.
Da der niedrige Drehzahl- und Lastbereich A, der in 4 gezeigt wird (mit Ausnahme des Leerlaufdrehzahlbereichs und des lastfreien Bereichs), ein Bereich ist, der relativ niedrige Drehmomente erfordert, wird in diesem Bereich A der Zündzeitpunkt in einem hohen Maße oder über den oberen Totpunkt hinaus verzögert, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wobei der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung so erhöht wird, dass die Verbrennungsstabilität zur Hochlastseite in diesem Bereich A hin zunehmend verbessert wird. Diese Anordnung trägt dazu bei, die HC- und NOx-reduzierende und schnellbeheizende Wirkung zu erhöhen.
Im lastfreien Bereich, in welchem die Verbrennung dazu neigt, instabil zu werden, wird der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung so verringert, dass der Zündzeitpunkt vor dem oberen Totpunkt liegt, wodurch ein durch die Zündzeitpunktverzögerung bedingter Verlust der Verbrennungsstabilität vermieden wird.
Im Bereich B der Hochlastseite wird der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung reduziert, um den Zündzeitpunkt MBT anzunähern oder ihn bis auf MBT vorzuschieben, so dass die Drehmomente, die im Bereich B der Hochlastseite angefordert werden, erhalten werden. Auch wenn der Kraftstoffeinspritzungsmodus vom Einspritzaggregat 11 geregelt werden kann, um im Bereich B der Hochlastseite in der geteilten Einspritzung zu bleiben, kann der Kraftstoffeinspritzungsmodus in einem bestimmten Hochlastbereich innerhalb des Bereichs B auf die Ansaughubeinspritzung umgeschaltet werden.
Dem in 1 gezeigten Aufbau und dem im Ablaufdiagramm von 3 gezeigten Regelvorgang gemäß ist es möglich, weitere Merkmale und Wirkungen zu erhalten, die nachstehend beschrieben sind:
Wenn das in 1 gezeigte Wirbelregelventil 17 mindestens im Niederlastbereich geschlossen wird, wenn der Katalysator noch nicht erwärmt ist, erzeugt es im Brennraum 5 einen Wirbel und verstärkt dadurch die Turbulenz im Brenn raum 5. Da ein Turbulenzverstärkungsmittel wie das Wirbelregelventil 17 vorgesehen ist, wird die Verbrennungsstabilität durch die Verstärkung der Turbulenz im Brennraum verbessert, wenn die obige geteilte Einspritzung mindestens im Niederiastbereich durchgeführt wird, während der Katalysator noch in seinem unerwärmten Zustand ist. Dadurch ist es möglich, selbst dann die Verbrennungsstabilität aufrechtzuerhalten und die Erhöhung der Fluktuationsrate Pi zu unterdrücken, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung um einen relativ großen Betrag verzögert wird, um die schnellbeheizende Wirkung in der geteilten Einspritzung zu erhöhen, und die schnellbeheizende Wirkung wird sogar noch mehr durchgeführt, da die Zündzeitpunktverzögerungsgrenze erweitert ist.
Im Regelvorgang, der im Ablaufdiagramm von 3 gezeigt wird, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis während der spezifischen Zeitperiode (t1 bis t3), innerhalb der die Katalysatortemperatur innerhalb der Gesamtperiode, in welcher der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, besonders niedrig ist, auf ein „mageres" Niveau geregelt, so dass die HC und anderen Emissionen in den Abgasen reduziert werden. Überdies ist ein Sauerstoffüberschuss vorhanden, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wie oben beschrieben auf das „magere" Niveau geregelt wird, und dies ermöglicht es, eine ausreichende Verbrennung des durch die geteilte Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs durchzuführen und ist vorteilhaft für die schnelle Beheizung. Vom spezifizierten Zeitpunkt t3 an, wenn die Katalysatortemperatur in einem bestimmten Umfang angestiegen ist und der Katalysator mehr oder weniger aktiviert wurde, sich aber noch in seinem unerwärmten Zustand befindet, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) geregelt. Dadurch werden die HC und NOx durch die Umwandlungswirkung des Katalysators umgewandelt, und deren Reduktion dient auch dazu, die Schnellbeheizung des Katalysators durchzuführen.
Die Art des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorgangs ist nicht auf das obige Anwendungsbeispiel beschränkt. Zum Beispiel kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis während einer bestimmten Periode, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, auf ein „magereres" Niveau als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (jedoch nicht über 17) geregelt werden, oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis kann so geregelt werden, dass es unmittelbar nach dem Einschalten des Motors mit dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt.
Der Zeitpunkt der früheren Einspritzung im geteilten Einspritzungsmodus, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, ist nicht nur auf die Ansaughubperiode beschränkt, sondern kann an jedem Punkt während des Ansaughubs oder später sein, solange dieser Punkt der späteren Einspritzung vorausgeht. Zum Beispiel kann die frühere Einsprizung während des früheren Abschnitts des Verdichtungshubs erfolgen.
Die soweit beispielhaft beschriebene Erfindung weist die folgenden Merkmale und Vorteile auf.
In einem ersten Aspekt der Erfindung besteht ein Verfahren zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, darin, das Einspritzaggregat dazu zu veranlassen, während einer Zeitperiode von einem Ansaughub bis zu einem Zündzeitpunkt eine mindestens in zwei Schritte geteilte Einspritzung durchzuführen, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, wobei die geteilte Einspritzung einen späteren Einspritzzyklus umfasst, der eine Gemischmasse erzeugt, die eine stellenweise Ungleichmäßigkeit im Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum aufweist, und einen früheren Einspritzzyklus, der eine magere Gemischmasse mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis erzeugt, das größer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, indem er den Kraftstoff vor dem späteren Einspritzzyklus einspritzt, wobei die magere Gemischmasse durch den Kraftstoff, der im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, zur Flammenausbreitung und Verbrennung in der Lage ist und während einer Hauptverbrennungsperiode eine Hauptverbrennung bewirkt, in der etwa 10 bis 90 Masseprozent des eingespritzten Kraftstoffs in einem Verbrennungsvorgang verbrannt werden, der im Brennraum stattfindet, und der Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung um einen bestimmten Betrag über einer minimalen Vorzündung für das beste Drehmoment (MBT) hinaus verzögert wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Beheizen eines Katalysators nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist wie folgt aufgebaut.
D. h., diese Vorrichtung zur Katalysatorbeheizung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, umfasst einen Temperaturzustandsidentifikator, um den Temperaturzustand des Katalysators zu beurteilen, einen Kraftstoffeinspitzungsregler, um die Kraftstoffeinspritzung vom Einspritzaggregat zu regeln, und einen Zündzeitpunktregler, um einen Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung zu regeln, wobei der Kraftstoffeinspitzungsregler das Einspritzaggregat auf der Basis der Beurteilungsergebnisse des Temperaturzustandsidentifikators regelt, um während einer Zeitperiode von einem Ansaughub bis zu einem Zündzeitpunkt eine in mindestens zwei Schritte geteilte Einspritzung durchzuführen, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, wobei die geteilte Einspritzung einen späteren Einspritzzyklus umfasst, der eine Gemischmasse erzeugt, die eine stellenweise Ungleichmäßigkeit im Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum aufweist, und einen früheren Einspritzzyklus, der eine magere Gemischmasse mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis erzeugt, das größer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, indem er den Kraftstoff vor dem späteren Einspritzzyklus einspritzt, wobei die magere Gemischmasse durch den Kraftstoff, der im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, zur Flammenausbreitung und Verbrennung in der Lage ist und während einer Hauptverbrennungsperiode eine Hauptverbrennung bewirkt, in der etwa 10 bis 90 Masseprozent des eingespritzten Kraftstoffs in einem Verbrennungsvorgang verbrannt werden, der im Brennraum stattfindet, und der Zündzeitpunktregler die Zündvorrichtung so steuert, dass der Zündzeitpunkt um einen bestimmten Betrag über eine minimale Vorzündung für das beste Drehmoment (MBT) hinaus verzögert wird, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
Diesem Verfahren und dieser Vorrichtung zur Katalysatorbeheizung dem obigen Aspekt der Erfindung gemäß führt das Einspritzaggregat die geteilte Einspritzung durch, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wobei der spätere Einspritzzyklus ein Gemisch erzeugt, das eine stellenweise Ungleichmäßigkeit im Brennraum aufweist, wodurch ein Zustand entsteht, in dem eine relativ fette Gemischmasse mindestens stellenweise um eine Zündkerze herum vorhanden ist. Dadurch werden die Zündbarkeit und Entflammbarkeit in der ersten Hälfte der Verbrennungsperiode erhöht, und der Kraftstoff, der im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, vermischt sich mit einem Teil des Kraftstoffs, der im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, wodurch eine homogene und magere Gemischmasse erzeugt wird, die zur Flammenausbreitung durch Verbrennung des im späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoffs in der Lage ist. Diese magere Gemischmasse wird in der zweiten Hälfte der Verbrennungsperiode langsam verbrannt.
Dadurch werden die HC und NOx in den Abgasen, die aus dem Brennraum austreten, reduziert, und die Abgastemperatur wird erhöht, was die Leistung des katalysatorbeheizenden Betriebs erhöht. Außerdem ist es dank der Zunahme der Verbrennungsstabilität möglich, den Betrag der Zündzeitpunktverzögerung zu erhöhen, und die NC- und NOx-reduzierende Wirkung und die katalysatorbeheizende Wirkung werden dank einer kombinierten Wirkung der geteilten Einspritzung und der Zündzeitpunktverzögerung erhöht.
Im obigen ersten Aspekt der Erfindung wird in der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unennrärmten Zustand ist, der spätere Einspritzzyklus vorzugsweise während des Verdichtungshubs und der frühere Einspritzzyklus während des Ansaughubs durchgeführt. Mit dieser Anordnung ist es möglich, auf zufrieden stellende Weise einen Zustand zu erreichen, in dem ein Gemisch, das eine stellenweise Ungleichmäßigkeit aufweist, durch den späteren Einspritzzyklus im Brennraum erzeugt wird und eine magere Gemischmasse, die zur langsamen Verbrennung geeignet ist, durch den früheren Einspritzzyklus erzeugt wird.
Das heißt, wenn der spätere Einspritzzyklus während des mittleren Abschnitts des Verdichtungshubs durchgeführt wird, kann die Erzeugung eines Gemischs, das eine stellenweise Ungleichmäßigkeit aufweist, auf effektive Weise durchgeführt werden. Zudem sollte der spätere Einspritzzyklus bevorzugt beginnen, bevor dreiviertel der Zeitperiode des Verdichtungshubs abgelaufen sind. Dies deshalb, weil die Verbrennungsstabilität verloren geht, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung über diesen Zeitpunkt hinaus verzögert wird.
Auch wenn im Brennraum ein Gemisch erzeugt wird, das eine stellenweise Ungleichmäßigkeit aufweist, indem der spätere Einspritzzyklus wie oben beschrieben im Verdichtungshub durchgeführt wird, wird solch eine Ungleichmäßigkeit in der Gemischkonzentration nicht nur erzeugt, wenn das Gemisch um die Zündkerze herum geschichtet ist, sondern auch in einem Motor, in dem das Gemisch zwangsläufig geschichtet wird. D. h., ein Motor kann so aufgebaut sein, dass der Kolben, der in einer Zylinderbohrung des Motors eingepasst ist und eine Bodenseite des Brennraums formt, ein Flachkolben ist, der keinen Hohlraum aufweist, um ein Gemisch zur Schichtladungsformung einzufangen, und der Brennraum einen Aufbau hat, der zum Zerstreuen des eingespritzten Kraftstoffs geeignet ist. Dieser Aufbau stellt einen Zustand her, in dem Gemischmassen, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, im Brennraum zerstreut sind, wodurch eine zufrieden stellende Zündbarkeit und Brennbarkeit gewährleistet wird.
Zudem ist es vorteilhaft, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so zu regeln, dass es in einem Bereich von 13 bis 17 liegt, und die im früheren Einspritzzyklus eingespritzte Kraftstoffmenge auf 1/5 oder mehr der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs zu regeln, so dass ein Magergemisch mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis erzeugt wird, das höher ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist. Mit dieser Anordnung wird eine homogene und magere Gemischmasse durch den Kraftstoff erzeugt, der im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, und diese magere Gemischmasse ist zur Flammenausbreitung durch den Kraftstoff in der Lage, der im späteren Einspritzzyklus eingespritzt und verbrannt wird, wodurch die langsame Verbrennung in der zweiten Hälfte des Verbrennungshubs auf effektive Weise durchgeführt wird. Ein Grund, weshalb das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf den Bereich von 13 bis 17 geregelt werden sollte, ist, dass eine hohe Wärmeabgaberate in diesem Bereich erhalten wird und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis verwendet werden kann, das in der Lage ist, die Abgastemperatur zu erhöhen.
Wenn in der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unennrärmten Zustand ist, die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, so geregelt wird, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum, das durch den früheren Einspritzzyklus allein erhalten wird, kleiner oder gleich 70 ist, wird die Flammenausbreitung, die durch die Verbrennung des Kraftstoffs bewirkt wird, der im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, auf effektive Weise in einem Zustand durchgeführt, in welchem der Kraftstoff, der mindestens im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wurde, und ein Teil des Kraftstoffs, der im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, vermischt sind.
In der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, kann der Zündzeitpunkt zudem im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert werden. Im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich, wo die Drehmomentanforderungen relativ klein sind, kann die HC- und NOx-reduzierende und schnellbeheizende Wirkung erhöht werden, indem der Zündzeitpunkt in hohem Maße verzögert wird.
Das Katalysatorbeheizungsverfahren gemäß dem obigen ersten Aspekt der Erfindung kann derart sein, dass die geteilte Einspritzung im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich während der Periode vom Ansaughub bis zum Zündzeitpunkt durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wobei der Startpunkt der späteren Einspritzung innerhalb einer Periode vom mittleren Abschnitt des Verdichtungshubs oder später geregelt wird, jedoch bevor dreiviertel der Periode des Verdichtungshubs abgelaufen sind, der Zündzeitpunkt mindestens in einem Teil des niedrigen Drehzahl- und Lastbereichs auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert wird, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum auf einen Bereich von 13 bis 17 geregelt wird. Da die geteilte Einspritzung in der oben beschriebenen Anordnung wirkungsvoll durchgeführt wird und die Verbrennungsstabilität durch die geteilte Einspritzung verbessert wird, kann der Zündzeitpunkt im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich, in dem die Drehmomentanforderungen relativ klein sind, in einem großen Umfang auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert werden, wodurch die HC- und NOx-reduzierende und schnellbeheizende Wirkung erhöht wird.
Wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird und der Zündzeitpunkt wie oben beschrieben im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, kann der Verbrennungs vorgang instabil werden. In diesem Fall kann die Verbrennungsstabilität erreicht werden, indem der Zündzeitpunkt vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs gesetzt wird.
Ferner kann im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung von der MBT mit zunehmender Motorlast progressiv erhöht werden, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist. Da die Verbrennungsstabilität höher wird, wenn die Motorlast sich innerhalb des Drehzahl- und Lastbereichs, in dem die Drehmomentanforderungen relativ klein sind, zur Hochlastseite hin verschiebt, kann der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung um einen entsprechenden Betrag vergrößert werden.
Wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wird das Drehmoment, das bei einer Zunahme der Motorlast in einem Hochlastbereich einer bestimmten Last oder darüber angefordert wird, auch vorzugsweise erhalten, indem der Betrag der Zündzeitpunktverzögerung von der MBT progressiv verringert wird.
Ein erfindungsgemäßer Aufbau kann derart sein, dass der frühere Einspritzzyklus während des Ansaughubs durchgeführt wird und der spätere Einspritzzyklus in der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, während des Verdichtungshubs durchgeführt wird, wobei der Startpunkt der späteren Einspritzung innerhalb einer Periode liegt, bevor dreiviertel der Periode des Verdichtungshubs abgelaufen sind, die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, größer oder gleich der Kraftstoffmenge ist, die im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, und der Zündzeitpunkt im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert wird. Wenn dieser Aufbau verwendet wird, werden die HC- und NOx-reduzierende und die schnellbeheizende Wirkung durch die kombinierte Wirkung der geteilten Einspritzung und der Zündzeitpunktverzögerung erhöht.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung besteht ein Verfahren zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, darin, das Einspritzaggregat dazu zu veranlassen, während einer Zeitperiode von einem Ansaughub bis zu einem Zündzeitpunkt eine mindestens in zwei Schritte geteilte Einspritzung durchzuführen, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, wobei die geteilte Einspritzung einen früheren Einspritzzyklus umfasst, der während eines Ansaughubs durchgeführt wird, und einen späteren Einspritzzyklus, der während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, doch bevor in der geteilten Einspritzung dreivierte) der Zeitperiode des Verdichtungshubs abgelaufen sind, wobei das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, so geregelt wird, dass sie auf einen Bereich von 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs abfällt, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, und wobei der Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich mit Ausnahme eines Leerlaufdrehzahlbereichs und eines lastfreien Bereichs auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Beheizen eines Katalysators nach dem zweiten Aspekt der Erfindung ist wie folgt aufgebaut.
D. h., diese Vorrichtung zur Katalysatorbeheizung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, umfasst einen Temperaturzustandsidentifikator, um den Temperaturzustand des Katalysators zu beurteilen, einen Kraftstoffeinspitzungsregler, um die Kraftstoffeinspritzung vom Einspritzaggregat zu regeln, und einen Zündzeitpunktregler, um einen Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung zu regeln, wobei der Kraftstoffeinspitzungsregler das Einspritzaggregat auf der Basis der Beurteilungsergebnisse des Temperaturzustandsidentifikators regelt, um eine in zwei Schritte geteilte Einspritzung durchzuführen, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, wobei die geteilte Einspritzung einen früheren Einspritzzyklus umfasst, der während eines Ansaughubs durchgeführt wird, und einen späteren Einspritzzyklus, der während eines mittleren Abschnitt eines Verdichtungshubs durchgeführt wird oder später, jedoch nicht bevor dreivierte) der Periode des Verdichtungshubs abgelaufen sind, das Luft/Kraftstoff Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, so geregelt wird, dass sie auf einen Bereich von 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs abfällt, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, und der Zündzeitpunktregler in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den Zündzeitpunkt auf der Basis eines Temperaturzustands des Katalysators und eines Lastzustands den Zündzeitpunkt auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
Dem Verfahren und der Vorrichtung zur Katalysatorbeheizung des zweiten Aspekts der Erfindung gemäß wird die geteilte Einspritzung, umfassend die den früheren Einspritzzyklus im Ansaughub und den späteren Einspritzzyklus im Verdichtungshub, durchgeführt, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wobei der spätere Einspritzzyklus während des mittleren Abschnitts des Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, jedoch nicht bevor dreivierte) der Periode des Verdichtungshubs abgelaufen sind, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, so geregelt wird, dass sie auf einen Bereich von 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs abfällt. Dadurch werden die HC- und NOx-reduzierende und die schnellbeheizende Wirkung erreicht und die Verbrennungsstabilität verbessert. In einen niedrigen Drehzahl- und Lastbereich wird dann der Zündzeitpunkt in hohem Maße verzögert, wodurch die obigen Wirkungen durch eine kombinierte Wirkung verstärkt werden.
Im obigen zweiten Aspekt der Erfindung ist es zur Verbesserung der Verbrennungsstabilität zum Beispiel vorteilhaft, wenn die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus der geteilten Einspritzung eingespritzt wird, größer oder gleich der Kraftstoffmenge ist, die im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, und die Kraftstoffmenge, die im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, größer oder gleich 1/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs ist, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
In einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, derart, dass eine homogene Verbrennung durchgeführt wird, indem das Einspritzaggregat dazu veranlasst wird, in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den Kraftstoff während des Ansaughubs einzuspritzen, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur größer oder gleich seiner Aktivierungstemperatur ist, wogegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und das Einspritzaggregat dazu veranlasst wird, die geteilte Einspritzung durchzuführen, umfassend einen früheren Einspritzzyklus, der während des Ansaughubs durchgeführt wird, um etwa 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs einzuspritzen, und einen späteren Einspritzzyklus, der während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, um im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den restlichen Kraftstoff einzuspritzen, wobei der frühere Einspritzzyklus ein homogenes und mageres Gemisch im Brennraum erzeugt und der spätere Einspritzzyklus eine Ungleichmäßigkeit im Gemisch des Brennraums erzeugt, indem er Gemischmassen formt, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, und diese im Brennraum zerstreut, wenn der Katalysator in seinem unennrärmten Zustand ist, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, und der Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung im Vergleich zum Zündzeitpunkt verzögert wird, der unter gleichen Drehzahl- und Lastbedingungen eingestellt wird, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens zum Beheizen eines Katalysators nach dem dritten Aspekt der Erfindung ist wie folgt aufgebaut.
D. h., diese Vorrichtung zur Katalysatorbeheizung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, umfasst einen Temperaturzustandsidentifikator, um den Temperaturzustand des Katalysators zu beurteilen, einen Kraftstoffeinspitzungsregler, um die Kraftstoffeinspritzung vom Einspritzaggregat zu regeln, und einen Zündzeitpunktregler, um einen Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung zu regeln, wobei der Kraftstoffeinspitzungsregler die Kraftstoffeinspritzung auf der Basis eines Temperaturzustands und eines Lastzustands so regelt, dass eine homogene Verbrennung durchgeführt wird, indem er das Einspritzaggregat veranlasst, in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den Kraftstoff während eines Ansaughubs einzuspritzen, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur größer oder gleich seiner Aktivierungstemperatur ist, wogegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und das Einspritzaggregat die geteilte Einspritzung durchführt, umfassend einen früheren Einspritzzyklus, der während des Ansaughubs durchgeführt wird, um etwa 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs einzuspritzen, und einen späteren Einspritzzyklus, der während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, um im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den restlichen Kraftstoff einzuspritzen, wobei der frühere Einspritzzyklus im Brennraum ein homogenes und mageres Gemisch erzeugt und der spätere Einspritzzyklus eine Ungleichmäßigkeit im Gemisch des Brennraums erzeugt, indem er Gemischmassen formt, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, und diese im Brennraum zerstreut, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, und der Zündzeitpunktregler die Zündvorrichtung so regelt, dass der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine im Vergleich zum Zündzeitpunkt verzögert wird, der unter gleichen Drehzahl- und Lastbedingungen eingestellt wird, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
Dem obigen dritten Aspekt der Erfindung gemäß wird die geteilte Einspritzung im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich durchgeführt, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wobei der frühere Einspritzzyklus ein homogenes und mageres Gemisch erzeugt, das im Brennraum verteilt ist, und der spätere Einspritzzyklus eine Ungleichmäßigkeit im Gemisch des Brennraums erzeugt, so dass ein Zustand erhalten wird, in welchem Gemischmassen im Brennraum zerstreut sind, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, und die Verbrennung in diesem Zustand erfolgt. Dadurch werden die NC- und NOx-reduzierende und die schnellbeheizende Wirkung erreicht und die Verbrennungsstabilität wird verbessert. Dann wird der Zündzeitpunkt entsprechend verzögert, so dass die obigen Wirkungen durch eine kombinierte Wirkung erhöht werden. Nachdem der Katalysator erwärmt wurde, wird der Kraftstoff im Ansaughub eingespritzt und eine homogene Verbrennung wird im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich durchgeführt.
In einem vierten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, derart, dass eine Schichtladungsverbrennung durchgeführt wird, indem das Einspritzaggregat dazu veranlasst wird, den Kraftstoff in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich während des Ansaughubs einzuspritzen, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur größer oder gleich seiner Aktivierungstemperatur ist, wogegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und das Einspritzaggregat dazu veranlasst wird, die geteilte Einspritzung durchzuführen, umfassend einen früheren Einspritzzyklus, der während des Ansaughubs durchgeführt wird, um etwa 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs einzuspritzen, und einen späteren Einspritzzyklus, der während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, um im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den restlichen Kraftstoff einzuspritzen, wobei der frühere Einspritzzyklus im Brennraum ein homogenes und mageres Gemisch erzeugt und der spätere Einspritzzyklus eine Ungleichmäßigkeit im Gemisch erzeugt, indem er Gemischmassen formt, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, und diese im Brennraum zerstreut, wenn der Katalysator in seinem unennrärmten Zustand ist, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, und der Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung im Vergleich zum Zündzeitpunkt verzögert wird, der unter gleichen Drehzahl- und Lastbedingungen eingestellt wird, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens zum Beheizen eines Katalysators nach dem vierten Aspekt der Erfindung ist wie folgt aufgebaut.
D. h., diese Vorrichtung zur Katalysatorbeheizung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, umfasst einen Temperaturzustandsidentifikator, um den Temperaturzustand des Katalysators zu beurteilen, einen Kraftstoffeinspitzungsregler, um die Kraftstoffeinspritzung vom Einspritzaggregat zu regeln, und einen Zündzeitpunktregler, um einen Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung zu regeln, wobei der Kraftstoffeinspitzungsregler die Kraftstoffeinspritzung auf der Basis eines Temperaturzustands und eines Lastzustands so regelt, dass eine Schichtladungsverbrennung durchgeführt wird, indem er das Einspritzaggregat veranlasst, in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den Kraftstoff während eines Ansaughubs einzuspritzen, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur größer oder gleich seiner Aktivierungstemperatur ist, wogegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und das Einspritzaggregat die geteilte Einspritzung durchführt, umfassend einen früheren Einspritzzyklus, der während des Ansaughubs durchgeführt wird, um etwa 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs einzuspritzen, und einen späteren Einspritzzyklus, der während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, um im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den restlichen Kraftstoff einzuspritzen, wobei der frühere Einspritzzyklus ein homogenes und mageres Gemisch im Brennraum erzeugt und der spätere Einspritzzyklus eine Ungleichmäßigkeit im Gemisch erzeugt, indem er Gemischmassen formt, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, und der Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung so geregelt wird, dass er im Vergleich zum Zündzeitpunkt verzögert wird, der unter gleichen Drehzahl- und Lastbedingungen eingestellt wird, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist.
Dem obigen vierten Aspekt der Erfindung gemäß wird die geteilte Einspritzung im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich durchgeführt, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wobei der frühere Einspritzzyklus ein homogenes und mageres Gemisch erzeugt, das im Brennraum verteilt ist, und der spätere Einspritzzyklus einen Zustand erzeugt, in dem eine Ungleichmäßigkeit in der Gemischkonzentration im Brennraum auftritt und die Verbrennung in diesem Zustand erfolgt. Dadurch werden die NC- und NOx-reduzierende und die schnellbeheizende Wirkung erreicht und die Verbrennungsstabilität wird verbessert. Dann wird der Zündzeitpunkt entsprechend verzögert, so dass die obigen Wirkungen durch eine kombinierte Wirkung erhöht werden. Nachdem der Katalysator erwärmt wurde, wird der Kraftstoff im Verdichtungshub eingespritzt, und im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich wird eine Schichtladungsverbrennung durchgeführt.
Im obigen dritten und vierten Aspekt der Erfindung beginnt der spätere Einspritzzyklus in der geteilten Einspritzung bevorzugt innerhalb einer Periode von 120°BTDC bis 45°BTDC des Verdichtungshubs, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist. Zudem sollte in der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, der Zündzeitpunkt im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich bevorzugt auf oder über den oberen Totpunkt hinaus verzögert werden. Diese Einstellungen dienen der Erhöhung der HC- und NOx-reduzierenden und der schnellbeheizenden Wirkung.
In jedem der obigen Aspekte der Erfindung sollte die Brennkraftmaschine bevorzugt so gesteuert werden, dass die Leerlaufdrehzahl höher ist, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, als wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist. Mit dieser Anordnung werden die Brennbarkeit im unerwärmten Katalysatorzustand und die Zündzeitpunktverzögerungsgrenze nicht nur durch die geteilte Einspritzung erhöht, sondern auch durch die erhöhte Drehzahl, wodurch die HC- und NOx-reduzierende und die schnellbeheizende Wirkung zusätzlich erhöht wird.
Zudem wird bevorzugt ein Turbulenzverstärkungsmittel vorgesehen, und die Turbulenz im Brennraum zu unterstützen. Mit dieser Anordnung werden die Verbrennungsstabilität und die Zündzeitpunktverzögerungsgrenze durch die verstärkte Turbulenz erhöht, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, wodurch die HC- und NOx-reduzierende und die schnellbeheizende Wirkung weiter erhöht wird.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, werden die NC- und NOx-Emissionen reduziert und die Abgastemperatur durch die erfindungsgemäße geteilte Einspritzung in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung erhöht, wenn ein Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt. Da die Verbrennungsstabilität erhöht wird, kann der Zündzeitpunkt zudem um einen entsprechenden Betrag verzögert werden. Eine kombinierte Wirkung der geteilten Einspritzung und der Zündzeitpunktverzögerung erlaubt eine erhebliche Erhöhung der HC- und NOx-reduzierenden und der schnellbeheizenden Wirkung während einer Periode, in welcher der Katalysator noch in seinem unerwärmten Zustand ist.
Die HC- und NOx-reduzierende und die schnellbeheizende Wirkung im unerwärmten Katalysatorzustand kann sogar noch mehr erhöht werden, wenn die Verbrennungsstabilität erhöht wird, indem ein späterer Einspritzzyklus während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs durchgeführt wird oder später, jedoch nicht, bevor dreivierte) der Periode des Verdichtungshubs abgelaufen sind, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum auf einen Bereich von 13 bis 17 geregelt wird, und die Kraftstoffmenge, die in einem früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, auf einen Bereich von etwa 1/5 bis etwa 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs geregelt wird, und der Zündzeitpunkt in einem bestimmten niedrigen Drehzahl- und Lastbereich auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert wird.

Claims

Verfahren zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, wobei dieses Verfahren darin besteht: das Einspritzaggregat dazu zu veranlassen, während einer Zeitperiode von einem Ansaughub zu einem Zündzeitpunkt eine mindestens in zwei Schritte geteilte Einspritzung durchzuführen, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, wobei die geteilte Einspritzung umfasst einen späteren Einspritzzyklus, der eine Gemischmasse erzeugt, die eine Vielzahl von fetteren Gemischstellen aufweist, die im Wesentlichen im ganzen Brennraum zerstreut sind, und einen früheren Einspritzzyklus, der eine magere Gemischmasse mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis erzeugt, das größer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, indem vor dem späteren Einspritzzyklus Kraftstoff eingespritzt wird, wobei die magere Gemischmasse durch den Kraftstoff, der im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, zur Flammenausbreitung und Verbrennung in der Lage ist und während einer Hauptverbrennungsperiode eine Hauptverbrennung bewirkt, in der etwa 10 bis 90 Masseprozent des eingespritzten Kraftstoffs in einem Verbrennungsvorgang verbrannt werden, der im Brennraum stattfindet; und das Verzögern des Zündzeitpunkts der Zündvorrichtung um einen bestimmten Betrag über einer minimalen Vorzündung für das beste Drehmoment (MBT) hinaus, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
Verfahren zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1, wobei in der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, der spätere Einspritzzyklus während eines Verdichtungshubs durchgeführt wird und der frühere Einspritzzyklus während des Ansaughubs durchgeführt wird, und wobei der spätere Einspritzzyklus beginnt, bevor dreiviertel der Dauer des Verdichtungshubs abgelaufen sind.
Verfahren zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 2, wobei in der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, größer oder gleich der Kraftstoffmenge ist, die im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, und wobei in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich der Zündzeitpunkt auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert wird.
Verfahren zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1, wobei der frühere Einspritzzyklus während des Ansaughubs durchgeführt wird und der spätere Einspritzzyklus während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, doch bevor in der geteilten Einspritzung dreiviertel der Zeitperiode des Verdichtungshubs abgelaufen sind, das Luft/Kraftstoff Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, so geregelt wird, dass sie auf einen Bereich von 1 /5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs abfällt, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, und wobei der Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich ausschließlich eines Leerlaufdrehzahlbereichs und eines lastfreien Bereichs auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert wird.
Verfahren zum Beheizen eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1, wobei: eine homogene Verbrennung durchgeführt wird, indem das Einspritzaggregat veranlasst wird, in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den Kraftstoff während des Ansaughubs einzuspritzen, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur größer oder gleich seiner Aktivierungstemperatur ist, wogegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und das Einspritzaggregat veranlasst wird, die geteilte Einspritzung durchzuführen, umfassend den früheren Einspritzzyklus, der während des Ansaughubs durchgeführt wird, um etwa 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs einzuspritzen, und den späteren Einspritzzyklus, der während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, um im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den restlichen Kraftstoff einzuspritzen, wobei der frühere Einspritzzyklus im Brennraum ein homogenes und mageres Gemisch erzeugt und der spätere Einspritzzyklus eine Ungleichmäßigkeit des Gemischs im Brennraum erzeugt, indem er Gemischmassen formt, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, und diese im Brennraum zerstreut, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, und der Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung im Vergleich zu dem Zündzeitpunkt verzögert wird, der unter gleichen Drehzahl- und Lastbedingungen eingestellt wird, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist.
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einer Vorrichtung zur Katalysatorbeheizung, wobei diese Brennkraftmaschine einen Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, um Abgase umzuwandeln, ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen, und eine Zündvorrichtung, um ein Gemisch im Brennraum zu zünden, wobei diese Vorrichtung zur Katalysatorbeheizung umfasst: einen Temperaturzustandsidentifikator, um den Temperaturzustand des Katalysators zu beurteilen; einen Kraftstoffeinspitzungsregler, um die Kraftstoffeinspritzung vom Einspritzaggregat zu regeln; und einen Zündzeitpunktregler, um einen Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung zu regeln; wobei der Kraftstoffeinspitzungsregler das Einspritzaggregat auf der Basis der Beurteilungsergebnisse des Temperaturzustandsidentifikators regelt, um während einer Zeitperiode von einem Ansaughub bis zu einem Zündzeitpunkt eine in mindestens zwei Schritten geteilte Einspritzung durchzuführen, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, wobei die geteilte Einspritzung umfasst einen späteren Einspritzzyklus, der eine Gemischmasse erzeugt, die eine Vielzahl von fetteren Gemischstellen aufweist, die im Wesentlichen im ganzen Brennraum zerstreut sind, und einen früheren Einspritzzyklus, der eine magere Gemischmasse mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis erzeugt, das größer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, indem vor dem späteren Einspritzzyklus Kraftstoff eingespritzt wird, wobei die magere Gemischmasse durch den Kraftstoff, der im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, zur Flammenausbreitung und Verbrennung in der Lage ist und während einer Hauptverbrennungsperiode eine Hauptverbrennung bewirkt, in der etwa 10 bis 90 Masseprozent des eingespritzten Kraftstoffs in einem Verbrennungsvorgang verbrannt werden, der im Brennraum stattfindet; und der Zündzeitpunktregler die Zündvorrichtung so steuert, dass der Zündzeitpunkt um einen bestimmten Betrag über einer minimalen Vorzündung für das beste Drehmoment (MBT) hinaus verzögert wird, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 6, wobei der Kraftstoffeinspritzungsregler das Einspritzaggregat so steuert, dass in der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, der spätere Einspritzzyklus während eines Verdichtungshubs durchgeführt wird und der frühere Einspritzzyklus während des Ansaughubs durchgeführt wird, und wobei der spätere Einspritzzyklus beginnt, bevor dreiviertel der Dauer des Verdichtungshubs abgelaufen sind.
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Kolben, der in einer Zylinderbohrung der Brennkraftmaschine eingepasst ist und eine Bodenseite des Brennraums formt, ein flacher Kolben ist, der keinen Hohlraum aufweist, um ein Gemisch zur Schichtladungsbildung einzufangen, und der spätere Einspritzzyklus der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, einen Zustand erzeugt, in dem Gemischmassen, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, im Brennraum zerstreut sind.
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 7, wobei der Kraftstoffeinspritzungsregler die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, so regelt, dass sie größer oder gleich der Kraftstoffmenge ist, die im späteren Einspritzzyklus eingespritzt wird, und der Zündzeitpunktregler in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den Zündzeitpunkt auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 6, wobei der Kraftstoffeinspritzungsregler das Einspritzaggregat auf der Basis der Beurteilungsergebnisse des Temperaturzustandsidentifikators steuert, um den früheren Einspritzzyklus während des Ansaughubs durchzuführen und den späteren Einspritzzyklus während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs oder später durchzuführen, doch bevor in der geteilten Einspritzung dreiviertel der Zeitperiode des Verdichtungshubs abgelaufen sind, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im gesamten Brennraum so regelt, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und die Kraftstoffmenge, die im früheren Einspritzzyklus eingespritzt wird, so regelt, dass sie auf einen Bereich von 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs abfällt, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, und der Zündzeitpunktregler in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich auf der Basis eines Temperaturzustands des Katalysators und eines Lastzustands den Zündzeitpunkt auf oder über den oberen Totpunkt des Verdichtungshubs hinaus verzögert, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 6, wobei der Kraftstoffeinspritzungsregler die Kraftstoffeinspritzung auf der Basis eines Temperaturzustands und eines Lastzustands so regelt, dass eine homogene Verbrennung durchgeführt wird, indem er das Einspritzaggregat veranlasst, in einem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den Kraftstoff während des Ansaughubs einzuspritzen, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist, in dem seine Temperatur größer oder gleich seiner Aktivierungstemperatur ist, wogegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ganzen Brennraum so geregelt wird, dass es auf einen Bereich von 13 bis 17 abfällt, und das Einspritzaggregat die geteilte Einspritzung durchführt, umfassend den früheren Einspritzzyklus, der während des Ansaughubs durchgeführt wird, um etwa 1/5 bis 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs einzuspritzen, und den späteren Einspritzzyklus, der während eines mittleren Abschnitts eines Verdichtungshubs oder später durchgeführt wird, um im niedrigen Drehzahl- und Lastbereich den restlichen Kraftstoff einzuspritzen, wobei der frühere Einspritzzyklus im Brennraum ein homogenes und mageres Gemisch erzeugt und der spätere Einspritzzyklus eine Ungleichmäßigkeit im Gemisch des Brennraums erzeugt, indem er Gemischmassen formt, die stellenweise fetter sind als an anderen Stellen, und diese im Brennraum zerstreut, wenn der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt; und der Zündzeitpunktregler die Zündvorrichtung so steuert, dass der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine im Vergleich zu dem Zündzeitpunkt verzögert wird, der unter gleichen Drehzahl- und Lastbedingungen eingestellt wird, wenn der Katalysator in seinem erwärmten Zustand ist, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während der Katalysator in seinem unerwärmten Zustand ist.