DE69921440T2

DE69921440T2 - Steuervorrichtung für eine brennkraftmaschine mit direkteinspritzung

Info

Publication number: DE69921440T2
Application number: DE69921440T
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: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JP2000045844A; EP1019622A1; CN1274406A; JP3325231B2; WO2000008328A1; EP1019622B1; KR20010024364A; US6330796B1; DE69921440D1; CN1098415C

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, welche mit einem Einspritzventil versehen, das Kraftstoff direkt in einen Brennraum einspritzt.
STAND DER TECHNIK
Eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, welche ein Einspritzventil für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum aufweist, ist allgemein bekannt. Diese Brennkraftmasche wird so betrieben, dass ein Zustand, in welchem ein Gemisch lokal um eine Zündkerze herum verteilt ist, durch Einspritzen des Kraftstoff in einer letzteren Hälfte eines Verdichtungstakts erzeugt wird, um eine sogenannte Schichtladungsverbrennung in einem Niedriglastzustand auszuführen. Dieser Betrieb macht es möglich, das Luft-/Kraftstoffverhältnis (magereres Gemisch) unter Beibehaltung der Verbrennungsstabilität anzuheben und den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Abgase von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen enthalten zum Beispiel Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxide (NOx), und es besteht heutzutage Bedarf an einer möglichst starken Senkung bei der Erzeugung und Freisetzung dieser schädlichen Bestanteile, um verbesserte Eigenschaften dieser Emissionen zu erreichen. Ein Vorgehen, das üblicherweise ergriffen wird, ist das Vorsehen eines Katalysators in einem Auslasskanal, und auch bei der oben erwähnten Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ist es gang und gäbe, in dem Auslasskanal einen Katalysator vorzusehen. Ein allgemein bekanntes Beispiel eines solchen Katalysators ist ein Dreiweg-Katalysator, der HC, CO und NOx bei etwa stöchiometrischem Luft-/Kraftstoffverhältnis beseitigen kann. Ein anderes Beispiel, das bereits entwickelt wurde, ist ein Katalysator, der NOx selbst in einem "mageren" Betriebsbereich entfernen kann, so dass er für den mager verbrennenden Betrieb durch Schichtladungsverbrennung bei der eingangs erwähnten Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und anderen geeignet ist.
Die europäische Patentanmeldung 0 856 655 A2 offenbart eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, welche eine in einen Brennraum ragende Zündkerze, ein Einspritzventil für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Brennraum, einen in einer Abgasleitung vorgesehenen Katalysator für das Reinigen von Abgas, ein Temperaturzustandsbeurteilungsmittel für das Beurteilen eines Temperaturzustands des Katalysators, ein Kraftstoffzufuhrmittel für das Bilden mittels des Einspritzventils eines kraftstoffreichen Verbrennungsgasgemisches um die Zündkerze herum, welches einem Verbrennungsgasgemisch mit einem theoretischen Luft-/Kraftstoffverhältnis entspricht oder fetter als dieses ist, und eines kraftstoffmageren Verbrennungsgasgemisches, das magerer als das Verbrennungsgasgemisch mit dem theoretischen Luft-/Kraftstoffverhältnis ist, in einem den Bereich des kraftstoffreichen Verbrennungsgasgemischs umgebenden Bereich, wenn die Temperatur des Katalysators beruhend auf der Beurteilung des Temperaturzustands-beurteilungsmittels unter einer Aktivierungstemperatur liegt. Gemäß einer Ausführung führt das Kraftstoffzuführmittel eine separate Einspritzung aus, bei welcher der Kraftstoff von dem Einspritzventil direkt in den Brennraum sowohl in einem Ansaugtakt als auch in einem Arbeitstakt jeweils eingespritzt wird. Die Kraftstoffeinspritzrate wird so festgelegt, dass eine eingespritzte Kraftstoffmenge des Ansaugtakts größer als die des Verdichtungstakts ist.
Eine Vorrichtung zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, welche zum Beispiel in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 4-231645 offenbart wird, ist zum Beispiel bei dieser Art von Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung als Vorrichtung für das Verwirklichen einer Verbesserung des Konvertierungswirkungsgrads eines Katalysators bei niedrigen Temperaturen bekannt. Bei einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einem in einem Auslasskanal vorgesehenen Mager-NOx- Katalysator, bei der der Mager-NOx-Katalysator solcher Art ist, dass er HC für die Reduktion von NOx benötigt, ist diese Vorrichtung so angeordnet, dass sie von einem Einspritzventil im letzteren Teil eines Verdichtungstakts eine erste Einspritzung vornimmt und zusätzlich zu der oben erwähnten ersten Einspritzung eine zweite Einspritzung vornimmt, um eine kleine Menge Kraftstoff für die Zufuhr von HC zu dem Mager-NOx-Katalysator innerhalb eines Zeitraums von einem Ansaugtakt bis zu einem frühen Teil des Verdichtungstakts einzuspritzen, wenn die Temperatur des Katalysators niedrig ist, oder die oben erwähnte zweite Einspritzung zusätzlich zur oben erwähnten ersten Einspritzung innerhalb eines Zeitraums von einer letzteren Hälfte eines Arbeitstakts bis zu einem frühen Teil eines Auspufftakts vornimmt, wenn die Temperatur des Katalysators hoch ist. Bei dieser Vorrichtung wird das HC, das aus dem durch die zweite Einspritzung eingespritzten Kraftstoff erhalten wird, dem Katalysator im Auslasskanal durch Festlegen der durch die zweiten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge bei einem so kleinen Wert, der die Verbrennung in einem Brennraum kaum beeinträchtigt, zugeführt, und es wird dem Katalysator ein HC-Bestandteil mit niedrigem Siedepunkt bei Niedrigtemperaturbedingungen und ein HC-Bestandteil mit hohem Siedepunkt bei Hochtemperaturbedingungen durch Ändern des Zeitpunkts der zweiten Einspritzung bei den Niedrigtemperatur- und den Hochtemperaturbedingungen in der oben erwähnten Weise zugeführt.
Ein Katalysator für die Abgaskonvertierung kann seine Konvertierungswirkungen nicht voll entfalten, wenn der Katalysator noch nicht erwärmt ist und die Katalysatortemperatur niedriger als seine Aktivierungstemperatur ist. HC und NOx werden in einem solchen Fall wahrscheinlich in großen Mengen freigesetzt. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Mengen der HC- und NOx-Emissionen, die von dem Motor zu dem Auslasskanal abgegeben werden, zu senken und zum Beispiel durch Anheben der Abgastemperatur bei noch unerwärmtem Zustand des Katalysator den Schnellzündungsbetrieb des Katalysators zu begünstigen.
Die oben erwähnte Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung weist dagegen das Problem auf, dass ihr Katalysator nicht so einfach zu erwärmen ist, da die in den Auslasskanal freigesetzte Wärmemenge klein ist, wenn das Luft-/Kraftstoffverhältnis durch Ausführen einer Schichtladungsverbrennung durch Einspitzen beim Verdichtungstakt, selbst wenn der Katalysator noch nicht warm ist, angehoben wird.
Zwar soll die in der oben erwähnten Schrift offenbarte Vorrichtung eine Verbesserung der Katalysatorleistung bei niedrigen Temperaturen bewirken, indem sie zusätzlich zur ersten Einspritzung während des letzteren Teils des Verdichtungstakts die zweite Einspritzung vor der ersten Einspritzung vornimmt, wenn die Temperatur des Katalysators niedrig ist, doch ist die durch diese zweite Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge extrem klein und wird dem Katalysator in dem Auslasskanal nahezu ohne Verbrennen in dem Brennraum zugeführt. Daher ist diese Vorrichtung nur vorteilhaft, wenn ein Mager-NOx-Katalysator solcher Art verwendet wird, der die Verwendung von HC für die Reduktion von NOx erfordert. Zudem macht es die Vorrichtung möglich, erst nach einer gewissen Aktivierung des Katalysators, obwohl sich dieser noch in einem Niedrigtemperaturzustand befindet, mit der Zufuhr von HC NOx-Konvertierungswirkungen zu verwirklichen, und da HC in einem früheren nicht erwärmten Zustand vor diesem Punkt freigesetzt wird, ist die Vorrichtung nicht für das Verwirklichen einer Verbesserung der Emissionen gut geeignet. Weiterhin besitzt die Vorrichtung nicht die Funktion der Begünstigung eines Schnellzündungsbetriebs des Katalysators durch Anheben der Abgastemperatur.
Eine weitere Maßnahme, die sich mit dem Kaltstart einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung befasst und in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 4-187841 offenbart wird, besteht darin, dass die Zündfähigkeit durch Erhöhen der während des Verdichtungstakts eingespritzten Kraftstoffmenge gewahrt wird, während die Innentemperatur der Zylinder niedrig ist. Die Brennkraftmaschine wird im Einzelnen so gesteuert, dass sie während des Verdichtungstakts in einem Niedriglastbereich eine Einspritzung vornimmt, während der sukzessiven Ansaug- und Verdichtungstakte in einem Bereich mittlerer Last eine geteilte Einspritzung vornimmt und während des Ansaugtakts in einem Bereich hoher Last, wenn der Motor in warm gelaufenen Zustand ist, eine Einspritzung vornimmt, während der oben erwähnte Bereich der geteilten Einspritzung zur Hochlastseite hin ausgedehnt wird, während der Motor noch kalt ist.
Diese Vorrichtung wahrt aber die Zündfähigkeit einfach durch Erhöhen der im Verdichtungstakt eingespritzten Kraftstoffmenge um einen Betrag entsprechend der Verschlechterung der Verdampfung und Zerstäubung, während der Motor noch kalt ist, und die Vorrichtung hat nicht die Fähigkeit, eine Schnellzündung und Emissionsverbesserung durch Anheben der Abgastemperatur zu verwirklichen, während der Katalysator sich noch in seinem nicht erwärmten Zustand befindet.
Im Hinblick auf die oben beschriebenen Umstände besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung an die Hand zu geben, welche die Mengen von Emissionen, wie zum Beispiel HC und NOx, aus der Brennkraftmaschine verringern und die Zündung eines Katalysators durch Erhöhen der Abgastemperatur, während sich der Katalysator zum Beispiel noch in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, zu begünstigen, so dass die Emissionen durch eine Verringerung der erforderlichen Zeit, bis der Katalysator in seinen nicht erwärmten Zustand gebracht wird, und durch eine Verringerung der Mengen von HC und anderen Emissionen, wenn der Katalysator noch nicht erwärmt ist, signifikant bewirkt werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß steuert eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung die Brennkraftmaschine so, dass sie eine mindestens in zwei Schritte erfolgende geteilte Einspritzung während eines Zeitraums ab einem Ansaugtakt bis zu einem Zündpunkt einschließlich eines späteren Einspritzzyklus, der in einem mittleren Teil eines Verdichtungstakts oder später durchgeführt wird, und eines früheren Einspritzzyklus, der vor dem späteren Einspritzzyklus mindestens in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, wenn sich ein Katalysator noch in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur unter der Aktivierungstemperatur liegt, vornimmt und dass entweder der spätere Einspritzzyklus oder der frühere Einspritzzyklus Kraftstoff einspritzt, welcher zur Hauptverbrennung während eines Hauptverbrennungszeitraums beiträgt. Die Kraftstoffmengen, die während des früheren Einspritzzyklus und des späteren Einspritzzyklus der geteilten Einspritzung, welche vorgenommen wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, eingespritzt werden, werden gleich gehalten. Dieser Steuerbetrieb gewährleistet Zündfähigkeit und Verbrennungsstabilität nach der Zündung und bewirkt langsames Verbrennen in einem letzteren Teil eines Verbrennungszeitraums, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet. Daher ist es möglich, in den von einem Brennraum freigesetzten Abgasen HC und NOx zu reduzieren, wenn der Katalysator sich noch in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, was zu einer Verbesserung der Emissionen führt und den Schnellzündungsbetrieb des Katalysators infolge einer Anhebung der Abgastemperatur signifikant begünstigt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein allgemeines Konfigurationsdiagramm, welches eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einer erfindungsgemäßen Ausführung zeigt;
2 ist ein Diagramm, welches die Einspritzpunkte der früheren Einspritzung und der späteren Einspritzung bei geteilter Einspritzung zeigt;
3 ist ein Zeitschaubild, welches ein Beispiel des Steuerbetriebs zeigt;
4 ist ein Diagramm, welches einen Output eines O₂-Sensors zeigt;
5 ist ein Diagramm, welches Änderungen des Outputs des O₂-Sensors zeigt, welche beobacht werden, wenn die Rückführungsregelung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses durchgeführt wird, sowie entsprechende Änderungen eines Rückführungsregelungskorrekturkoeffizienten zeigt;
6(a)–6(c) sind Diagramme, welche unterschiedliche Kolben für die Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zeigen;
7 ist ein Diagramm, welches Änderungen des Anteils der Masse verbrannten Kraftstoffs zeigt, die bei Vornehmen einer geteilten Einspritzung und bei Vornehmen einer einmaligen Einspritzung in einem Ansaugtakt beobachtet werden;
8 ist ein Diagramm, welches Änderungen der Flammenfrontfläche zeigt, die bei Durchführen einer geteilten Einspritzung und einer einmaligen Einspritzung beobachtet werden;
9 ist ein Diagramm, welches eine Abgastemperatur und einen Kraftstoffverbrauch zeigt, die beobachtet werden, wenn ein späterer Einspritzzeitpunkt auf verschiedene Weise geändert wird, während eine geteilte Einspritzung vorgenommen wird, und wenn die Menge der Zündzeitverzögerung auf verschiedene Weise geändert wird, während eine einmalige Einspritzung vorgenommen wird;
10 zeigt Kurven, welche (a) eine Abgastemperatur, (b) eine HC-Konzentration, (c) eine NOx-Konzentration und (d) einen Motordrehzahlfluktuationskoeffizienten zeigen, die bei Vornehmen einer geteilten Einspritzung und einer einmaligen Einspritzung erhalten wurden;
11 ist ein Diagramm, welches Änderungen im Laufe der Zeit der HC-Reduktionsrate, der NOx-Reduktionsrate, der Abgastemperatur und der Fahrzeugfahrtgeschwindigkeit bei einem im Fahrzeug eingebauten Motor zeigt;
12 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Zündzeit und dem angezeigten effektiven Mitteldruck bei Vornehmen einer einmaligen Ansaugtakteinspritzung und einer geteilten Einspritzung zeigt;
13 ist ein Diagramm, welches Änderungen der Pi-Fluktuationsrate und anderer Parameter zeigt, die beobachtet wurden, wenn der Anteil des durch eine spätere Einspritzung einzuspritzenden Kraftstoffs auf verschiedene Weise geändert wird; und
14 ist ein Diagramm, welches Änderungen der Pi-Fluktuationsrate und anderer Parameter zeigt, die beobachtet wurden, wenn der Startzeitpunkt der späteren Einspritzung auf verschiedene Weise geändert wird.
BESTE ART DER DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein praktisches Beispiel einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung. In dieser Figur wird durch die Ziffer 1 ein Hauptmotorkörper bezeichnet, welcher einen Zylinderblock 2 und einen Zylinderkopf 3 umfasst, in welchem mehrere Zylinder ausgebildet sind. In jedem Zylinder ist ein Kolben 4 eingebaut, und zwischen der oberen Fläche des Kolbens 4 und der unteren Fläche des Zylinderkopfs 3 ist ein Brennraum 5 ausgebildet.
Deren Aufbau wird nun in spezifischer Weise erläutert. In der unteren Fläche des Zylinderkopfs 3 wird eine Aussparung mit einer bestimmten Form ausgebildet, wobei die Aussparung eine obere Innenfläche des Brennraums 5 bildet. Die obere Innenfläche des Brennraums 5 wird zum Beispiel wie dargestellt zu einer Dachform ausgebildet, und in den Brennraum 5 mündende Ansaugkanäle 6 und Auslasskanäle 7 werden in dessen oberer Innenfläche ausgebildet. Zwar werden jeweils ein Ansaugkanal 6 und ein Auslasskanal 7 in der Figur gezeigt, doch sind in einer bevorzugten Form jeweils zwei Ansaugkanäle 6 und Auslasskanäle 7 in einer Richtung senkrecht zur Seite der Figur einzeln angeordnet vorgesehen. Dann werden ein Einlassventil 8 und ein Auslassventil 9 in jedem Ansaugkanal 6 und Auslasskanal 7 jeweils vorgesehen. Angetrieben von einem nicht gezeigten Ventilstellglied wird ein Öffnen und Schließen der Einlassventile 8 und der Auslassventile 9 bei einem festgelegten Zeitpunkt bewirkt.
In dem Zylinderkopf 3 sind Zündkerzen 10 so eingebaut, dass sich jede Zündkerze 10 in etwa in der Mitte des Brennraums 5 befindet, wobei ihre Funkenstrecke in den Brennraum 5 ragt.
Ein Einspritzventil 11, welches Kraftstoff direkt in den Brennraum 5 spritzt, ist an einem Umfangsteil des Brennraums 5 vorgesehen. In der in 1 gezeigten Ausführung ist das Einspritzventil 11 an der Seite des Brennraums 5 nahe des Ansaugkanals 6 an dem Zylinderkopf 3 befestigt und das Einspritzventil 11 ist so angeordnet, dass es den Kraftstoff schräg nach unten einspritzt, wobei das ferne Ende des Einspritzventils 11 in den Brennraum 5 ragt.
In der gezeigten Ausführung ist auch ein Hohlraum 12 mit einem U-förmigen Querschnitt im oberen Teil des Kolbens 4 ausgebildet, welcher die Unterseite des Verbrennungsraums 5 darstellt. Die Position und die Richtung des Einspritzventils 11, die Position des Hohlraums 12 und die Position der Zündkerze 10 werden vorbestimmt, um eine bestimmte Beziehung so zu erfüllen, dass der Kraftstoff von dem oben erwähnten Einspritzventil 11 hin zum Hohlraum 12 in der letzteren Hälfte jedes Verdichtungstakts, wenn der Kolben 4 sich seinem oberen Totpunkt nähert, eingespritzt wird, durch den Hohlraum 12 umgelenkt wird und schließlich die Nähe der Zündkerze 10 erreicht.
Mit dem oben erwähnten Einspritzventil 11 ist eine Hochdruckpumpe 13 durch eine Kraftstoffzuleitung 14 verbunden. Die Hochdruckpumpe 13 und ein Hochdruckregler, welcher in einer nicht abgebildeten Rückleitung angeordnet ist, verstellen gemeinsam den Kraftstoffdruck, der auf das Einspritzventil 11 ausgeübt wird, auf ein ausreichend hohes Druckniveau, so dass die Kraftstoffeinspritzung in einem mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später möglich ist.
Eine Ansaugleitung 15 und eine Ablassleitung 16 sind mit dem oben erwähnten Hauptmotorkörper 1 verbunden. Die oben erwähnte Ansaugleitung 15 verzweigt sich stromabwärts eines Druckspeichers 15b zu den einzelnen Zylindern, wodurch zwei zueinander parallel verlaufende Zweigleitungen 15a (von denen in der Figur nur eine gezeigt ist) für jeden Zylinder gebildet werden. Die beiden Ansaugkanäle 6 an den stromabwärtigen Enden der Zweigleitungen 15a münden in den Brennraum 5 und ein Wirbelsteuerventil 17, welches als verwirbelungsverstärkendes Mittel dient, ist in einer dieser Zweigleitungen 15a vorgesehen. Wenn das Wirbelsteuerventil 17 geschlossen ist, wird in dem Brennraum 5 durch Ansaugluft, welche durch die andere Zweigleitung 15a eingeführt wird, ein Wirbel erzeugt, so dass die Verwirbelung in dem Brennraum 5 verstärkt wird.
Als alternatives verwirbelungsverstärkendes Mittel kann in einer Zweigleitung an Stelle des Wirbelsteuerventils 17 ein Ventil vorgesehen werden, das ein Mischen bewirkt, oder es kann eine solche Anordnung vorgenommen werden, dass zwischen der oberen Fläche des Kolbens und der oberen Innenfläche des Brennraums (untere Fläche des Zylinderkopfs) nahe dem oberen Totpunkt in dem Verdichtungstakt ein Quetschen erzeugt wird.
Weiterhin ist auf halbem Weg in der Ansaugleitung 15 eine Drosselklappe 18 vorgesehen, und diese Drosselklappe 18 ist durch einen elektrisch angetriebenen Aktor 19 wie ein Schrittmotor steuerbar ausgeführt, um die Steuerung der Ansaugluftmenge zu ermöglichen.
Eine (nicht abgebildete) Abgasrückführungsleitung (AGR) ist mit dem Druckspeicher 15b über ein (nicht abgebildetes) AGR-Ventil verbunden, um bei Beendigung des Motorwarmlaufens das Einleiten von AGR-Gas zu ermöglichen.
In der Abgasleitung 16 sind dagegen ein Kohlendioxidsensor 21 (O₂) und ein katalytischer Abgas-Konverter 22, welcher Katalysatoren für das Konvertieren der Abgase enthält, vorgesehen. Der oben erwähnte O₂-Sensor 21 erfasst das Luft-/Kraftstoffverhältnis eines Gemisches in dem Brennraum durch Messen der Sauerstoffkonzentration und besteht aus einem Sensor (λO₂-Sensor), dessen Output beim stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis variiert.
Zwar kann der katalytische Abgas-Konverter 22 aus einem Dreiweg-Katalysator gebildet sein, doch ist es wünschenswert, Katalysatoren zu verwenden, die auch in einem magerem Gemisch mit einem höheren Luft-/Kraftstoffverhältnis als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis enthaltenes NOx reduzieren können, um einen verbesserten Konvertierungswirkungsgrad zu bieten, wenn eine Schichtladungsverbrennung des mageres Gemisches durchgeführt wird, dessen Luft-/Kraftstoffverhältnis nach den Zündungsbetrieb erhöht wurde, wie später beschrieben wird. Zwar weist der Dreiwege-Katalysator im Einzelnen einen hohen Konvertierungsumwandlungsgrad bei allen drei Schadstoffen HC, CO und NOx nur in der Nähe des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses auf, wie allgemein bekannt ist, doch gibt es einen Katalysator (Mager-NOx-Katalysator), der nicht nur die gleiche Funktion wie der Dreiweg-Katalysator wahrnimmt, sondern auch in einem mageren Gemisch mit einem höheren Luft-/Kraftstoffverhältnis als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis NOx reduziert. Somit ist es bevorzugt, NOx durch Verwendung dieses Katalysators unter mageren Betriebsbedingungen zu reduzieren. Anzumerken ist jedoch, dass auch diese Art von Mager-NOx-Katalysator seinen maximalen Konvertierungswirkungsgrad in der Nähe des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses aufweist.
Da der katalytische Abgas-Konverter 22 den Mager-NOx-Katalysator enthält, steigt die Katalysatortemperatur unter Bedingungen hoher Drehzahl und hoher Last wahrscheinlich übermäßig an, wenn der katalytische Abgas-Konverter 22 unmittelbar stromabwärts eines Abgaskrümmers 16a vorgesehen wird (oder direkt mit diesem verbunden ist). Daher ist der katalytische Abgas-Konverter 22 direkt mit einem Abgasrohr 16b verbunden, welches mit dem Abgaskrümmer 16a verbunden ist, so dass der katalytische Abgas-Konverter 22 weiter weg von dem Hauptmotorkörper 1 als die Position unmittelbar stromabwärts des Abgaskrümmers 16a angeordnet ist. Bei Verwendung des Dreiweg-Katalysators kann aber der katalytische Abgas-Konverter 22 direkt mit dem Abgaskrümmer verbunden werden, da der Dreiweg-Katalysator hitzebeständige Eigenschaften aufweist.
Mit der Ziffer 30 wird ein ECU (elektronisches Steuergerät) bezeichnet, welches die Motorsteuerung vornimmt. Signale von einem Kurbelwinkelsensor 23, welcher den Kurbelwinkel des Motors erfasst, einem Beschleunigungssensor 24, welcher die Gaspedalöffnung erfasst (d. h. das Maß der Betätigung eines Gaspedals), einem Luftmengenmesser 25, welcher die Ansaugluftmenge erfasst, eines Wassertemperatursensors 26, welcher die Temperatur eines Motorkühlwassers erfasst, des oben erwähnten O₂-Sensors 21 etc. werden in das ECU 30 eingegeben.
Das oben erwähnte ECU 30 umfasst eine Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung 31, einen Lastzustanddetektor 32, ein Kraftstofteinspritz-Steuergerät 33, eine Kraftstoffeinspritzmengen berechnungsvorrichtung 34, eine Zündzeitpunktsteuervorrichtung 35 und eine Motordrehzahl-Steuervorrichtung 36.
Die oben erwähnte Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung 31 dient zum Schätzen des Temperaturzustands des Katalysators und zum Beurteilen anhand eines Temperaturerfassungssignals, das von dem oben erwähnten Wassertemperatursensor 26 zugeführt wird, ob er sich in einem nicht erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur niedriger als seine Aktivierungstemperatur ist. Wenn die Wassertemperatur niedriger als eine erste festgesetzte Temperatur ist, urteilt die Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung 31, dass sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befeindet, und wenn die Wassertemperatur höher als die erste festgesetzte Temperatur ist, urteilt die Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung 31, dass der Katalysator sich in seinem erwärmten Zustand befindet. Dieser Vorgang der Temperaturzustandsbeurteilung für das Bestimmen des Zündzustands des Katalysators kann durch gleichzeitiges Ausführen der Wassertemperaturerfassung und einer Beurteilung der ab dem Zeitpunkt des Motoranlassens verstrichenen Zeit oder durch direktes Erfassen der Katalysatortemperatur erfolgen.
Der oben erwähnte Lastzustanddetektor 32 erfasst anhand eines Kurbelwinkel-Erfassungssignals, des vom Kurbelwinkelsensor 23 geliefert wird, den Lastzustand.
Das oben erwähnte Kraftstoffeinspritzventil 33 dient für das Steuern des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und der von dem Einspritzventil 11 durch einen Einspritzventil-Ansteuerkreis 37 einzuspritzenden Kraftstoffmenge. Wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, steuert das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät 33 das Einspritzventil 11 so, dass es eine geteilte Einspritzung mit mindestens zwei Einspritzzyklen während eines Zeitraums von einem Ansaugtakt bis zu einem Zündpunkt mindestens in einem Niedriglastbetriebsbereich des Motors vornimmt, wobei die beiden Einspritzzyklen eine spätere Einspritzung, die in dem mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später vorgenommen wird, sowie eine frühere Einspritzung, die vor der späteren Einspritzung vorgenommen wird, umfassen.
Hier bezeichnet der mittlere Teil des Verdichtungstakts einen Zwischenteil des Verdichtungstakts, der in drei gleiche Teile unterteilt ist, d. h. den früheren, den mittleren und den späteren Teil. Demgemäss bedeutet der mittlere Teil des Verdichtungstakts bezogen auf den Kurbelwinkel den Zeitraum ab dem Punkt 120° vor dem oberen Totpunkt (vor OT) bis zu dem Punkt 60° vor OT. Somit wird der spätere Einspritzzyklus an dem Punkt 120° vor OT oder später veranlasst. Es ist jedoch wünschenswert, den späteren Einspritzzyklus zu beginnen, bevor dreiviertel des Zeitraums des Verdichtungstakts verstreichen (nicht später als 45° vor OT), da die Verbrennungsstabilität beeinträchtigt wird, wenn der spätere Einspritzzeitpunkt zu spät ist, wie später beschrieben wird.
Im Einzelnen wird der spätere Einspritzzyklus so eingestellt, dass er während des Verdichtungstakts innerhalb eines Zeitraums von 120° vor dem oberen Totpunkt bis zu 45° vor dem oberen Totpunkt begonnen wird, und der frühere Einspritzzyklus wird so eingestellt, dass er, wie in 2 gezeigt, bei einem geeigneten Zeitpunkt vor dem späteren Einspritzzyklus, zum Beispiel während der Dauer des Ansaugtakts, beginnt.
Bei einer solchen geteilten Einspritzung, die bei nicht erwärmtem Zustand des Katalysators vorgenommen wird, wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge von der Kraftstoffeinspritzmengenberechnungsvorrichtung 34 so berechnet, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis in einen vorgegebenen Bereich des Luft-/Kraftstoffverhältnisses von 13 bis 17 fällt, und die einzuspritzende Kraftstoffmenge wird mit bestimmten Anteilen durch das oben erwähnte Kraftstoffeinspritz-Steuergerät 33 dividiert, wodurch die durch die frühere Einspritzung und durch die spätere Einspritzung einzuspritzenden Kraftstoffmengen gesteuert werden.
Bei dem obigen Vorgang wird der oben erwähnte frühere Einspritzzyklus bzw. der spätere Einspritzzyklus so gesteuert, dass Kraftstoff eingespritzt wird, welcher zur Hauptverbrennung beiträgt, welche innerhalb eines Hauptverbrennungszeitraums eintritt. Im Allgemeinen wird bei einem Verbrennungsvorgang, welcher in einem Brennraum eintritt, ein Zeitraum, in welchem bis zu etwa 10% des eingespritzten Kraftstoffs in Masse ausgedrückt verbrannt wird, als erster Verbrennungszeitraum bezeichnet, und ein Zeitraum, in welchem etwa 10% bis 90% des eingespritzten Kraftstoffs verbrannt werden, wird als Hauptverbrennungszeitraum bezeichnet. Wie später nochmals erläutert wird, ist die erste Verbrennung, in welcher durch eine spätere Einspritzung eingespritzter Kraftstoff gezündet und verbrannt wird, ein Verbrennungszyklus, welcher den ersten Verbrennungszeitraum und einen früheren Teil des Hauptverbrennungszeitraums umfasst. Die in den jeweiligen Einspritzzyklen einzuspritzenden Kraftstoffmengen werden so festgelegt, dass der durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoff ein Gemisch mit einem Luft-/Kraftstoffverhältnis ergibt, das eine Flammenausbreitung durch Verbrennung des durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs in dem Brennraum möglich macht, so dass beide Anteile des durch die frühere Einspritzung und durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs zur Hauptverbrennung beitragen und das magere Gemisch, das aus dem durch die frühere Einspritzung eingespritzten Kraftstoff erzeugt wird, langsam verbrannt wird.
Vorzugsweise wird die Menge des durch die frühere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs so festgesetzt, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem Brennraum, das allein durch die frühere Einspritzung erhalten wurde, in dem oben erwähnten Bereich gleich oder höher als das Luft-/Kraftstoffverhältnis mit Entflammbarkeitsgrenze wird (d. h. eine Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses, bei welcher ein Gemisch von selbst verbrannt werden kann: etwa 30).
Bevorzugt ist, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis innerhalb des oben erwähnten Bereichs von 13 bis 17 in dem gesamten Brennraum auf einen Wert gleich oder etwas höher als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gesetzt wird. Die bereits erwähnte Kraftstoffeinspritzmengenberechnungsvorrichtung berechnet die einzuspritzende Kraftstoffmenge so, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum dem festgesetzten Luft-/Kraftstoffverhältnis mittels Steuerung oder Regelung basierend auf dem Output des O₂-Sensors entspricht, wie später eingehender beschrieben wird.
Weiterhin gibt die oben erwähnte Zündzeitpunktsteuervorrichtung 35 ein Steuersignal an eine Zündvorrichtung 38 und steuert dadurch den Zündzeitpunkt entsprechend den Betriebsbedingungen des Motors. Zwar wird der Zündzeitpunkt im Wesentlichen gesteuert, um eine minimale Frühzündung für bestes Drehmoment (sogenanntes MBT) zu verwirklichen, doch wird er um einen festgelegten Betrag verzögert, wenn sich der Katalysator in nicht erwärmtem Zustand befindet.
Die Motordrehzahl-Steuervorrichtung 36 steuert die Ansaugluftmenge bzw. den Zündzeitpunkt zum Beispiel in solcher Weise, dass die Motorleerlaufdrehzahl höher wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, als wenn der Katalysator erwärmt wurde.
Das oben erwähnte ECU 30 ist so konstruiert, dass es durch Ausgeben eines Steuersignals an den Aktor 19 für das Antreiben der Drosselklappe 18 auch die Ansaugluftmenge steuert. Im Einzelnen steuert das ECU 30 das Öffnen der Drosselklappe 18 entsprechend der Gaspedalöffnung, wenn zum Beispiel der Motor beim stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis in einem Hochlastbereich betrieben wird, wenn der Katalysator sich in seinem nicht erwärmten Zustand befindet oder bereit erwärmt wurde, wohingegen das ECU 30 die Drosselklappe 18 so steuert, dass sie öffnet, um die Ansaugluftmenge zu erhöhen und dadurch das Luft-/Kraftstoffverhältnis zu erhöhen, wenn die Schichtladungsverbrennung durch Einspritzen des Kraftstoffs allein im Verdichtungstakts eines Niedriglastbereichs erfolgt, zum Beispiel nach dem Anspringen. Weiterhin steuert das ECU 30 das oben erwähnte Wirbelsteuerventil 17, um zum Beispiel im Fall einer geteilten Einspritzung einen Wirbel in dem Brennraum 5 zu erzeugen.
Ein Beispiel für einen Steuerbetrieb dieser Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung wird jetzt unter Bezug auf ein Zeitschaubild von 3 beschrieben.
In 3 bezeichnet t₁ den Zeitpunkt des Endes des Motorstartvorgangs. Bis zum Zeitpunkt t₁ wird während des Motorstartvorgangs das Luft-/Kraftstoffverhältnis bei einem niedrigeren Wert (fetteres Gemisch) als das stöchiometrische Luft- /Kraftstoffverhältnis gehalten, um zum Beispiel das Anlassdrehmoment zu halten, und die Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils 11 erfolgt nur im Ansaugtakt (Ansaugtakteinspritzung). Der Grund für diese Anordnung liegt darin, dass die Kraftstoffeinspritzung im Verdichtungstakt (Verdichtungstakteinspritzung) bei Vornehmen während des Motorstartvorgangs wahrscheinlich eine mangelhafte Verdampfung und Zerstäubung und eine mögliche Fehlzündung aufgrund des Benetzens der Zündkerze durch Kraftstoff verursacht, und daher ist es wünschenswert, die Ansaugtakteinspritzung vorzunehmen, um Zeit für eine Kraftstoffverdampfung und -zerstäubung zu bieten. Ferner wird der Zündzeitpunkt zum MBT-Punkt verstellt.
Eine geteilte Einspritzung wird vorgenommen, wenn der Katalysator über den Motoranlassendpunkt t₁ hinaus in seinem nicht erwärmten Zustand bleibt. Insbesondere wird die Kraftstoffeinspritzung von dem Einspritzventil 11 in zwei separaten Teilen vorgenommen, d. h. die frühere Einspritzung wird während des Ansaugtakts und die spätere Einspritzung wird im mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später vorgenommen. In dem in 3 gezeigten Beispiel werden dem früheren Einspritz- und dem späteren Einspritzzyklus gleiche Anteile Kraftstoff zugewiesen.
Bei diesem Modus der geteilten Einspritzung wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum so eingestellt, dass es in einen Bereich von 13 bis 17 fällt. In dem in 3 gezeigten Beispiel wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis während eines bestimmten Zeitraums (t₁ bis t₃) unmittelbar nach Motorstarten, wo die Katalysatortemperatur in dem gesamten Zeitraum besonders niedrig ist, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, auf einen höheren Wert (magereres Gemisch) als das stöchiometrische Gemisch gesetzt. Während die einzuspritzende Kraftstoffmenge entsprechend der Ansaugluftmenge bis zum Aktivieren des O₂-Sensors durch die rückführungslose Steuerung berechnet wird, wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge anhand des Outputs des O₂-Sensors 21 vom Zeitpunkt t₂ an von der Rückführungsregelung mit dem Ziel eines "mageren" Luft-/Kraftstoffverhältnisses berechnet, wenn der O₂-Sensor 21 des Katalysators aktiviert wurde. Vom Zeitpunkt t₃ an, erfolgt ferner nach Verstreichen einer bestimmten Zeitspanne die Rückführungsregelung anhand des Outputs des O₂-Sensors 21 mit dem Ziel eines stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses (λ = 1).
Weiterhin wird der Zündzeitpunkt verzögert, während sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet. Während der Zündzeitpunkt hin zur MBT-Seite vorverstellt wird (bzw. eine Verzögerung aufgehoben wird) und der oben erwähnte Modus der geteilten Einspritzung aufgehoben wird, wenn die Temperatur des Katalysators gestiegen ist, werden diese Schaltvorgänge mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung vorgenommen, um Drehmomenterschütterungen abzuschwächen. Vor allem da die Zündzeitpunkt-Verzögerung gegenüber dem oben erwähnten Modus der geteilten Einspritzung bezüglich Kraftstoffverbrauch recht nachteilig ist (wie später erläutert, 10), wird der Zündzeitpunkt beim Zeitpunkt t₄ vorgestellt, wenn die Katalysatortemperatur in gewissem Maß gestiegen ist, und dann wird der Modus der geteilten Einspritzung beim Zeitpunkt t₅ aufgehoben, wenn der Katalysator sich erwärmt hat.
Zu bemerken ist, dass 3 ein praktisches Beispiel eines Steuerbetriebs eines Motors mit Schichtladungsverbrennung zeigt, bei welchem der Modus der Kraftstoffeinspritzung und das Luft-/Kraftstoffverhältnis gemäß Betriebsbedingungen gesteuert werden, wobei zum Beispiel bei einem niedrigen Drehzahl- und niedrigen Lastbereich des Motors zur Verdichtungstakteinspritzung geschaltet wird, um eine Schichtladungsverbrennung auszuführen, und das Luft-/Kraftstoffverhältnis erhöht wird (magereres Gemisch). Wenn sich der Motor in einem hohen Drehzahl- oder hohen Lastbereich befindet, wird er weiterhin auf Ansaugtakteinspritzung geschaltet, um eine gleichmäßige Verbrennung zu erzeugen. In einem Bereich zwischen einem Schichtladungsverbrennungsbereich und einem Bereich gleichmäßiger Verbrennung in Bereich mittlerer Last gibt es zudem Fälle, in denen eine geteilte Einspritzung vorgenommen wird, welche die Ansaug- und Verdichtungstakte nach Bedarf einschließt, um eine plötzliche Drehmomentänderung zu verhindern.
Die Motordrehzahl wird so gesteuert, dass sie einer Motorleerlaufdrehzahl entspricht, welche zum Beispiel bei Motoranlassen entsprechend der Motorkühlwassertemperatur festgesetzt wird. Herkömmlicherweise wird unmittelbar nach Motoranlassen die Motordrehzahl schnell auf eine normale Motorleerlaufdrehzahl entsprechend der Motorkühlwassertemperatur gesenkt, wie durch die Strichlinien gezeigt wird. In dieser Ausführung wird die Motordrehzahl jedoch so gesteuert, dass sie höher als die der Motorkühlwassertemperatur entsprechende normale Motorleerlaufdrehzahl wird, indem eine Motorzieldrehzahl zum Beispiel unmittelbar nach Motoranlassen, wenn der Motor noch nicht warm gelaufen ist, korrigiert wird, und dann lässt man die Motordrehzahl allmählich auf die normale Motorleerlaufdrehzahl sinken. Die Verbrennungsstabilität wird verbessert und eine Zündzeitpunktverzögerungsgrenze wird angehoben, wenn die Motordrehzahl unmittelbar nach Motoranlassen in der oben beschriebenen Weise angehoben wird.
Von den Kraftstoffsteuervorgängen der in dem oben erwähnten Zeitschaubild gezeigten Steuervorgänge werden die unter mageren Bedingungen während eines Zeitraums t₂ bis t₃ durchgeführte Rückführungsregelung und die zum Zeitpunkt t₃ oder später durchgeführte Rückführungsregelung unter Bezug auf 4 und 5 beschrieben.
Der Output des oben erwähnten O₂-Sensors 21 ändert sich unvermittelt bei dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis (λ = 1), wie in 4 gezeigt wird. Im Allgemeinen wird bei der auf dem Output des O₂-Sensors 21 beruhenden Rückführungsregelung ein an die eingespritzte Kraftstoffmenge angelegter Rückführungskorrekturkoeffizient um einen P-Wert, welcher eine Proportionalitätskonstante ist, und einen I-Wert, welche eine Integrationskonstante ist, variabel gehalten, wie in 5 gezeigt wird, wobei nur eine Konstante, der P-Wert oder der I-Wert, in eine Abnahmerichtung der eingespritzten Kraftstoffmenge variiert wird, wenn der Output des O₂-Sensors 21 einen fetten Zustand anzeigt, während nur eine Konstante, der P-Wert oder der I-Wert, in eine Zunahmerichtung der eingespritzten Kraftstoffmenge variiert wird, wenn der Output des O₂-Sensors 21 einen mageren Zustand anzeigt. Ferner werden die Verzögerungszeiten T_RL und T_LR so eingestellt, dass eine Umkehrung des Rückführungskorrekturkoeffizienten möglich wird, wenn der Output des O₂-Sensors 21 vom fetten Zustand zum mageren Zustand bzw. vom mageren Zustand zum fetten Zustand umgekehrt wird.
Wenn eine Kraftstoffeinspritzung so gesteuert werden soll, dass ein bestimmtes Luft-/Kraftstoffverhältnis während des Zeitraums t₂ bis t₃ in der oben erwähnten Rückführungsregelung zur "mageren" Seite des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses hin erhalten wird, wird die Verzögerungszeit T_RL so verstellt, dass sie größer als die Verzögerungszeit T_LR wird, was ein Verschieben des Mittelwerts des Rückführungskorrekturkoeffizienten in die Abnahmerichtung der eingespritzten Kraftstoffmenge bewirkt. Dadurch wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis so geändert, dass es zur "mageren" Seite des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses verschoben wird. Eine ähnliche Anpassung ist auch durch Differenzieren des oben erwähnten P- oder I-Werts abhängig davon, ob der Output des O₂-Sensors 21 den fetten oder den mageren Zustand anzeigt, möglich.
Beim Rückführungsregelungsbetrieb werden vom Zeitpunkt t₃ an die Verzögerungszeiten T_RL und T_LR auf die gleichen Einstellungen an der "fetten" Seite und der "mageren" Seite geändert, um so einen normalen Steuerbetrieb auszuführen, bei welchem das Luft-/Kraftstoffverhältnis auf das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gestellt wird.
Die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine ist so konstruiert, dass bei Vorsehen des die Schichtladung ausbildenden Hohlraums 12 im oberen Teil des Kolbens 4 für das Auffangen des von dem Einspritzventil 11 eingespritzten Kraftstoffs und dessen Umlenken hin zur Zündkerze 10 ein Schichtladungszustand, bei welchem ein relativ fettes Gemisch lokal in der Nähe der Zündkerze 10 verteilt ist, wenn die Kraftstoffeinspritzung von dem Einspritzventil 11 im mittleren Bereich des Verdichtungstakts oder später vorgenommen wird, erhalten wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht nur bei der oben erwähnten Art von Brennkraftmaschine anwendbar (nachstehend als Schichtladungsmotor bezeichnet), sondern auch bei einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die nicht unbedingt das Gemisch (nachstehend als Nichtschichtladungsmotor bezeichnet) mit Vorsehen eines Kolbens 41, 42, 43 schichtet, wie beispielhaft in 6(a)–6(c) gezeigt.
In dieser Beschreibung bezeichnet ein "Flachkolben" einen Kolben, der nicht mit dem oben erwähnten Hohlraum 12 für die Schichtladungsbildung versehen ist. Somit sind Flachkolben nicht auf Kolben mit einem vollständigen flachen Oberteil wie der in 6(a) gezeigte Kolben beschränkt, sondern umfassen auch Kolben mit einer ausgesparten oder hervorstehenden oberen Fläche, um eine Brennraumform zu erhalten, welche Anforderungen wie in 6(b)–6(c) gezeigt erfüllt, solange die ausgesparte oder hervorstehende obere Form nicht für die Schichtladungsbildung gedacht ist.
Selbst wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung bei dem oben erwähnten Nichtschichtladungsmotor angewendet wird, kann die Steuerung der späteren Einspritzung, bei welcher die Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils im mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später und die frühere Einspritzung vor der späteren Einspritzung (zum Beispiel während eines Ansaugtaktzeitraums) vorgenommen wird, wie in 3 gezeigt erfolgen. Nach Erwärmen des Katalysators kann die Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugtakts erfolgen, um eine gleichmäßige Verbrennung zu erzeugen. In diesem Fall kann, auch wenn die Kraftstoffeinspritzung so gesteuert werden kann, dass eine gleichmäßige Verbrennung bei λ = 1 in allen Betriebsbereichen erzeugt wird, die gleichmäßige Verbrennung bei einem "mageren" Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem niedrigen Drehzahl- und Lastbereich erfolgen.
Im Folgenden werden Funktionsmerkmale der oben beschriebenen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung der erfindungsgemäßen Ausführung beschrieben.
Wenn sich der Katalysator bei Motoranlassen in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, erfolgt die Kraftstoffeinspritzung des Kraftstoffeinspritzventils in zwei separaten Teilen, d. h. es wird eine frühere Einspritzung während des Ansaugtakts und eine spätere Einspritzung im mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später vorgenommen, während die einzuspritzende Kraftstoffmenge gesteuert wird, um ein Luft-/Kraftstoffverhältnis zu erzeugen, das zumindest im Bereich niedriger Last in etwa gleich oder etwas höher als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis im gesamten Brennraum ist.
Der durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoff verteilt sich in dem gesamten Brennraum und erzeugt eine Gemischschicht, welche mager ist, aber eine Flammenausbreitung erzeugen kann, da vor der Zündung hinreichend Zeit für die Verdampfung, Zerstäubung und Ausbreitung gegeben ist. Der durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoff lässt ein Gemisch mit einem relativ niedrigen Luft-/Kraftstoffverhältnis zumindest in der Nähe der Zündkerze 10 entstehen. Vor altem bei dem in 1 gezeigten Schichtladungsmotor wird der durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoff veranlasst, sich in hoher Konzentration um die Zündkerze zu sammeln, und dadurch wird ein Schichtladungszustand erhalten, bei welchem eine Gemischschicht mit einem Luft-/Kraftstoffverhältnis gleich oder höher als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gebildet wird.
Bei der Erzeugung solcher Kraftstoffzufuhrbedingungen werden die Zündung und Verbrennung des Gemisches in gewünschter Weise vorgenommen, HC und NOx in den vom Motor freigesetzten Abgasen werden reduziert, was zu einer Verbesserung der Emissionen führt, während sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, und die Abgastemperatur steigt, so dass ein Schnellzündungsbetrieb des Katalysators begünstigt wird. Diese vorteilhaften Wirkungen werden unter Bezug auf 7 bis 14 spezifisch erläutert. Die in 7 bis 14 erwähnte geteilte Einspritzung bedeutet eine geteilte Einspritzung, bei welcher die frühere Einspritzung während des Ansaugtakts erfolgt und die spätere Einspritzung während des Verdichtungstakts erfolgt, wie in der vorstehenden Ausführung gezeigt wurde.
7 zeigt Daten zu Änderungen des Masseanteils des verbrannten Kraftstoffs nach Zündung, die bei Vornehmen geteilter Einspritzung und einmaliger Ansaugtakt-Einspritzung (Vergleichsbeispiel) unter folgenden Betriebsbedingungen untersucht wurden:

Motordrehzahl: 1.500 U/min.

Effektiver Bremsmitteldruck (Pe): 294 kPa

Zündzeitpunkt: Verzögert zu oberem Totpunkt (OT) bei Verdichtungstakt (bei welchem MBT bei etwa 10° vor OT liegt)
Wie in dieser Figur gezeigt ist, ist das Verbrennen in einem späteren Teil eines Verbrennungszeitraums in der geteilten Einspritzung langsamer als in dem oben erwähnten Vergleichsbeispiel. Dies bedeutet, dass die geteilte Einspritzung bei der Anhebung der Abgastemperatur durch Nachverbrennung größere Wirkungen hat. Da das Nachverbrennen auf diese Weise hinreichend erfolgt, wird der Schnellzündungsbetrieb des Katalysators begünstigt und HC reduziert. Weiterhin wird, wie in den später beschriebenen Experimentdaten gezeigt wird, auch NOx reduziert. Als Gründe für das Eintreten dieses Phänomens wird folgendes angenommen.
Wenn eine spätere Einspritzung in dem mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später erfolgt, liegt eine Gemischmasse mit einem Luft-/Kraftstoffverhältnis von λ 1 zumindest lokal in der Nähe der Zündkerze 10 vor. Da zum Beispiel um die Zündkerze 10 in dem in 1 gezeigten Schichtladungsmotor eine fette Gemischschicht lokal vorliegt, wird Zündstabilität gewährleistet und die Verbrennung nach der Zündung wird ordnungsgemäß ausgeführt, so dass die Verbrennungsgeschwindigkeit in der ersten Verbrennung gesteigert wird.
Weiterhin breitet sich der durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoff in dem gesamten Brennraum aus und erzeugt ein mageres Gemisch, und während das Verbrennen des durch die bereits beschriebene spätere Einspritzung erzeugten Gemisches abläuft, breitet sich eine Flamme zu dem mageren Gemisch aus, welches durch den durch die frühere Einspritzung eingespritzten Kraftstoff erzeugt und mit einem Teil des durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs gemischt wurde, wodurch die magere Gemischmasse verbrannt wird. Zusammengefasst erfolgt das Verbrennen des durch die spätere Einspritzung erzeugten Gemisches und das folgende Verbrennen des hauptsächlich durch den durch die frühere Einspritzung eingespritzten Kraftstoff erzeugten mageren Gemisches während des Hauptverbrennungszeitraums. Da das Verbrennen des mageren Gemisches ein langsamer Verbrennungsvorgang ist, dient es zur Unterdrückung der Erzeugung von NOx.
Somit wird angenommen, dass der Schnellzündungsbetrieb des Katalysators mit einer Zunahme der Abgastemperatur begünstigt und HV oxydiert und reduziert wird.
Das oben erwähnte Phänomen wird auch in einem Nichtschichtladungsmotor unter Verwendung von Flachkolben, wie in 6 gezeigt, verwirklicht. Der Zeitraum von der späteren Einspritzung im mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später bis zur Zündung ist im Einzelnen so kurz, dass der Kraftstoff nicht vollständig gleichmäßig dispergiert wird, wenn er nicht geschichtet ist, und es wird auch in dem Nichtschichtladungsmotor ein Zustand erzeugt, bei welchem relativ fette Gemischmassen und magere Gemischmassen wahllos verteilt sind. Da nahe der Zündkerze ein lokal fettes Gemisch vorliegt, werden Zündung und Verbrennung in gewünschter Weise vorgenommen, und da der durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoff ein gleichmäßiges und mageres Gemisch bildet, breitet sich eine Flamme zu ihr aus und dieses Gemisch wird langsam verbrannt.
Unter erneutem Bezug auf 7 steigt der Masseanteils des verbrannten Kraftstoffs in einem früheren Teil der Verbrennung in der geteilten Einspritzung schneller als in dem Ansaugtakt der einmaligen Einspritzung an, und dies zeigt an, dass die Verbrennungsstabilität hoch ist. Ein solches Phänomen wird augenfällig in dem Nichtschichtladungsmotor mit Flachkolben, wie in 6 gezeigt, sowie in dem Schichtladungsmotor, wie in 1 gezeigt, beobachtet, wenn zum Beispiel die in dem Modus der geteilten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge klein und die Ausprägung der Schichtladung relativ gering ist. Als Gründe für das Eintreten dieses Phänomens wird folgendes angenommen.
Da der Zustand, in welchem relativ fette Gemischmassen und magere Gemischmassen wahlweise verteilt sind, bei dem Nichtschichtladungsmotor durch die spätere Einspritzung erzeugt wird, wie vorstehend beschrieben, wird die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ungleichmäßig und beim Vorgang der Flammenausbreitung werden unregelmäßige Aussparungen und Vorsprünge in einer Flammenfront gebildet. Man nimmt an, dass das Verbrennen im früheren Teil der Verbrennung begünstigt wird, da die oben erwähnte Ungleichmäßigkeit die Fläche der Flamme erhöht und zur Begünstigung der Verbrennung beiträgt.
Ferner ist in dem Schichtladungsmotor der Zeitraum von der späteren Einspritzung bis zur Zündung so kurz, dass das Gemisch, das durch den durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoff erzeugt wird, um die Zündkerze lokal verteilt wird, und da eine Ungleichmäßigkeit der Verteilung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses selbst in dem lokal verteilten Bereich vorliegt, existieren um die Zündkerze relativ fette Gemischmassen und relativ magere Gemischmassen, wenn der Grad der Schichtbildung relativ gering ist. Man nimmt an, dass die Flammenflächenverbrennung im früheren Teil der Verbrennung begünstigt wird, da die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ungleichmäßig wird und dies die Fläche der Flamme vergrößert.
Da es möglich wird, den Betrag der Zündzeitpunktverzögerung zu erhöhen, wenn die Verbrennungsstabilität wie oben beschrieben verbessert wird, wird es möglich, die Abgastemperatur durch Verzögern des Zündzeitpunkts weiter zu erhöhen und dadurch zusätzlich zu den oben erwähnten Wirkungen der Steigerung der Abgastemperatur durch Nachverbrennung die Wirkungen einer Schnellzündung und Reduktion von HC und anderen Emissionen zu verbessern.
8 zeigt Daten zu den Änderungen der Fläche einer Flamme (bzw. Flammenfrontfläche) in Beziehung zum Kurbelwinkel vom Zündzeitpunkt, die bei Vornehmen einer einmaligen Ansaugtakt-Einspritzung und einer geteilten Einspritzung beobachtet wurden, um die Wirkungen der geteilten Einspritzung auf die Flammenfrontfläche zu untersuchen. Wie aus dieser Figur hervorgeht, nimmt die Flammenfrontfläche schnell zu und die Verbrennungsstabilität wird durch die geteilte Einspritzung gegenüber der einmaligen Einspritzung verbessert.
9 zeigt Änderungen des Kraftstoffverbrauchs und der Abgastemperatur, die bei Änderungen des Zeitpunkts der späteren Einspritzung beobachtet wurden, wobei der Zündzeitpunkt vom MBT-Punkt zu einer Verzögerungsseite der einmaligen Ansaugtakt-Einspritzung geändert werden und der Zündzeitpunkt bei der geteilten Einspritzung auf den MBT-Punkt gesetzt wird. Die eingesetzten Betriebsbedingungen waren eine Motordrehzahl von 1.500 U/min. und ein effektiver Bremsmitteldruck (Pe) von 294 kPa. Wie aus dieser Figur hervorgeht, nimmt die Abgastemperatur zu und der Kraftstoffverbrauch verschlechtert sich, wenn der Einspritzzeitpunkt bei einer einmaligen Ansaugtakt-Einspritzung progressiv verzögert wird. Die Abgastemperatur nimmt dagegen zu und der Kraftstoffverbrauch verschlechtert sich dagegen, wenn der Zeitpunkt der späteren Einspritzung von etwa 90° vor OT (vor dem oberen Totpunkt) beim Verdichtungstakt der geteilten Einspritzung progressiv verzögert wird.
Ein Vergleich dieser Fälle zeigt, dass der Kraftstoffverbrauch bei der geteilten Einspritzung größer wird, wenn die Abgastemperatur gleich ist. (Die Abgastemperatur nimmt um 60°C zu, wenn zum Beispiel der Einspritzzeitpunkt vom MBT-Punkt der einmaligen Ansaugtakt-Einspritzung verzögert wird.) Zusammengefasst kann die Abgastemperatur durch Verzögern des Zündzeitpunkts bei der geteilten Einspritzung gegenüber der einmaligen Einspritzung stärker erhöht werden, vorgesetzt, die Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs wird in etwa gleich gehalten. Weiterhin ist es möglich, die Abgastemperatur sogar noch mehr zu erhöhen, wenn der Zündzeitpunkt bei Vornehmen der geteilten Einspritzung verzögert wird.
10 zeigt Messergebnisse der Abgastemperatur, der HC- und NOx-Konzentrationen in den aus dem Brennraum freigesetzten Abgasen und des Motordrehzahl-Fluktuationskoeffizienten ΔRPM (Standardabweichung), die bei einem Test eines Vergleichsbeispiels, bei welchem der Zündzeitpunkt bei der einmaligen Ansaugtakt-Einspritzung verzögert wurde, und eines praktischen Beispiels der Erfindung, bei welchem der Zündzeitpunkt, bei der geteilten Einspritzung verzögert wurde, erhalten wurden, wobei die Tests mit einem so geänderten Zündzeitpunkt-Verzögerungsbetrag durchgeführt wurden, dass der Kraftstoffverbrauch bei einer Motordrehzahl von 1.500 U/min. unter Niedriglastbedingungen für die beiden Beispiele gleich war (der Zündzeitpunkt wurde sowohl im Vergleichsbeispiel als auch im praktischen Beispiel bis zum OT verzögert). Wie aus dieser Figur hervorgeht, wird die Abgastemperatur stärker erhöht, die HC- und NOx-Konzentrationen werden stärker reduziert und der Motordrehzahl-Fluktuationskoeffizient ΔRPM wird im praktischen Beispiel dieser Erfindung stärker reduziert als im Vergleichsbeispiel, selbst unter den gleichen Betriebsbedingungen und bei gleichem Kraftstoffverbrauch.
Als Gründe hierfür nimmt man an, dass die Abgastemperatur erhöht wird und das HC reduziert wird, da die Verbrennung im späteren Teil der Verbrennung durch die geteilte Einspritzung verlangsamt wird, wie bereits beschrieben wurde, NOx aufgrund der Verbrennung eines mageren Gemisches, das durch die frühere Einspritzung erzeugt wurde, zum Beispiel ein langsamer Verbrennungsprozess wird, die Verbrennungsstabilität aufgrund der Begünstigung der Verbrennung im früheren Teil des Verbrennungszeitraums verbessert wird usw.
11 zeigt Messergebnisse der HC-Reduktionsrate, der NOx-Reduktionsrate und der Abgastemperatur, die bei Durchführen der einmaligen Einspritzung im Ansaugtakt und Durchführen der geteilten Einspritzung genommen wurden, während ein mit einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ausgestattetes Kraftfahrzeug gefahren wurde. Wie aus dieser Figur hervorgeht, wird die Zunahme der Abgastemperatur bei geteilter Einspritzung gegenüber der einmaligen Abgastakt-Einspritzung beschleunigt und daher werden die jeweils für das Erreichen der HC-Reduktionsrate und der NOx-Reduktionsrate von 50% erforderlichen Zeiten signifikant verringert (wie gezeigt um ta bzw. tb).
12 zeigt Daten über die Beziehung zwischen dem Zündzeitpunkt und dem angezeigten effektiven Mitteldruck, die bei Vornehmen der einmaligen Ansaugtakt-Einspritzung und Vornehmen der geteilten Einspritzung untersucht wurden. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist, obwohl der angezeigte effektive Mitteldruck (Drehmoment) bei Verzögern des Zündzeitpunkts sank, der Grad der Abnahme des angezeigten effektiven Mitteldrucks bei der geteilten Einspritzung kleiner als in der einmaligen Ansaugtakt-Einspritzung.
Aus den oben erwähnten Daten wird erkannt, dass das HC und NOx in den vom Motor freigesetzten Abgasen reduziert werden, was zu einer Verbesserung der Emissionen führt, und der Schnellzündungsbetrieb des Katalysators infolge einer Zunahme der Abgastemperatur durch Vernehmen der geteilten Einspritzung, wenn sich der Katalysator wie in der vorliegenden Erfindung in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, begünstigt wird. Zudem werden die Verbrennungsstabilität und der Kraftstoffverbrauch in dieser Erfindung gegenüber der Verzögerung des Zündzeitpunkts um einen großen Betrag bei der einmaligen Einspritzung verbessert.
Unter Bezug auf 13 und 14 werden im Folgenden Bereiche des durch die spätere Einspritzung und die frühere Einspritzung einzuspritzenden Kraftstoffanteils und des Zeitpunkts der späteren Einspritzung erläutert. Anzumerken ist, dass die Ausführungen von 13, in welcher die in dem früheren Einspritzzyklus und in dem späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoffmengen nicht gleich sind, nicht in den Schutzumfang dieser Erfindung fallen.
13 zeigt Daten einer Beziehung zwischen dem durch die spätere Einspritzung einzuspritzenden Kraftstoffanteil (bzw. das Verhältnis der durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge zu der durch die frühere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge) und der Fluktuationsrate von Pi (angezeigter effektiver Mitteldruck), der Abgastemperatur, dem Kraftstoffverbrauch, dem Betrag der HC-Emissionen und dem Betrag der NOx-Emissionen. Die eingesetzten Betriebsbedingungen waren eine Motordrehzahl von 1.500 U/min., ein effektiver Bremsmitteldruck (Pe) von 29a kPA und eine Motorkühlwassertemperatur von 40,0°C, wobei der Zündzeitpunkt beim Verdichtungstakt zum oberen Totpunkt (OT) hin verzögert war. Wie aus dieser Figur hervorgeht, werden die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen und die HC- und NOx-Reduktionswirkungen nicht ausreichend erhalten, wenn der durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffanteil kleiner als 20% (1/5) ist. Wenn der durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffanteil gleich oder größer als 20% (1/5) wird, nehmen die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen und die HC- und NOx-Reduktionswirkungen mit Zunahme des durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffanteils zu, doch die Pi-Fluktuationsrate und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit nehmen allmählich zu. Wenn der durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffanteil 80% übersteigt, übersteigt die Pi-Fluktuationsrate ihren zulässigen Wert und die Verbrennungsstabilität geht verloren.
Demgemäss ist es wünschenswert, den durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffanteil innerhalb eines Bereichs von 20% bis 80% (1/5 bis 4/5) zu halten, um die Verbrennungsstabilität und das Drehmoment zu wahren und gleichzeitig die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen und die HC- und NOx-Reduktionswirkungen sicherzustellen. Wird dies verwirklicht, dann fällt der durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffanteil in einen Bereich von 4/5 bis 1/5. Erfindungsgemäß werden die in dem früheren Einspritzzyklus und in dem späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoffmengen gleich gehalten. Ferner werden die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen und die HC- und NOx-Reduktionswirkungen größer, wenn der durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffanteil erhöht wird, d. h. wenn der durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffanteil gesenkt wird, solange diese Anteile in die oben erwähnten Bereiche fallen. Wenn die durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge so niedrig festgelegt wird, dass das nur durch die frühere Einspritzung in dem gesamten Brennraum erzeugte Luft-/Kraftstoffverhältnis gleich oder höher als das Luft-/Kraftstoffverhältnis der Entflammbarkeitsgrenze wird (etwa 30), dann wird das durch die frühere Einspritzung erzeugte Gemisch mager genug. Da dieses magere Gemisch langsam verbrennt, was die Verbrennung in dem späteren Teil des Verbrennungszeitraums verzögert, ist es möglich, ausreichende Abgastemperatur-Anhebungswirkungen und HC- und NOx-Reduktionswirkungen zu erhalten.
Wenn die durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge ferner kleiner als die durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge gehalten wird (unter 50% bezüglich des durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffanteils), wird die Verbrennungsstabilität erhöht und der Kraftstoffverbrauch verringert. Wenn dagegen die durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge größer als die durch die frühere Kraftstoffeinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge gehalten wird (größer als 50% bezüglich des durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffanteils), werden die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen und die HC- und NOx-Reduktionswirkungen verbessert.
In einem extremen Niedriglastbereich, wie dem Leerlaufbereich, in welchem die dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge klein ist, nähern sich die Impulslängen der Einspritzung, welche den geteilten eingespritzten Kraftstoffmengen entsprechen, (oder die Impulslängen, welche die Ventilöffnungszeiten des Einspritzventils bestimmen) einer steuerbaren Mindestimpulslänge der Einspritzung. Wenn demgemäss die durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge von der durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge differiert, besteht die Möglichkeit, dass die Impulslänge der Einspritzung, welche der kleineren einzuspritzenden Kraftstoffmenge entspricht, kleiner als die Mindestimpulslänge der Einspritzung wird, was es schwierig macht, die einzuspritzende Kraftstoffmenge zu steuern. Unter diesen Umständen wird erfindungsgemäß die durch die spätere Einspritzung und durch die frühere Einspritzung einzuspritzende Kraftstoffmenge (50% des durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs) gleich gehalten.
14 zeigt die Beziehung zwischen dem Startzeitpunkt der späteren Einspritzung und der Pi-Fluktuationsrate und der Abgastemperatur, untersucht unter den Betriebsbedingungen einer Motordrehzahl von 1.500 U/min., eines effektiven Bremsmitteldrucks (Pe) von 294 kPa und einer Motorkühlwassertemperatur von 40,0°C, wobei der Zündzeitpunkt beim Verdichtungstakt zum oberen Totpunkt (OT) hin verzögert war. Wie aus dieser Figur hervorgeht, werden die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen kaum erhalten, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung vor 120° vor OT liegt. Die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen werden verbessert, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung auf 120° vor OT oder später verzögert wird. Wenn die Pi-Fluktuationsrate jenseits von 60° vor OT verzögert wird, übersteigt die Pi-Fluktuationsrate aber ihren zulässigen Wert und die Verbrennungsstabilität geht verloren.
Wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung bei Verzögerung des Zündzeitpunkts zum OT innerhalb eines Bereichs von 120°C vor OT bis 60° vor OT gesetzt wird, ist es möglich, angemessene Kraftstoffverdampfungs- und Kraftstoffzerstäubungszeiten zu liefern und daher werden die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen erhalten, während die Verbrennungsstabilität gesichert wird. Da es möglich ist, die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen zu verbessern, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung nicht bis zum OT verzögert wird, kann der Startpunkt der späteren Einspritzung innerhalb eines Bereichs von 120° vor OT bis 45° vor OT gelegt werden.
In dem extremen Niedriglastbereich, in welchem die dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge klein ist, ist es möglich, den Einspritzzeitpunkt aus Sicht der Kraftstoffverdampfung und -zerstäubung ausreichend zu verzögern, während der Startpunkt der späteren Einspritzung in einem Bereich nicht später als 45° vor OT gehalten wird.
Wenn zudem die durch die spätere Einspritzung einzuspritzende Kraftstoffmenge relativ klein ist, kann der Startpunkt der späteren Einspritzung in den Bereich von 120° vor OT bis 45° vor OT gesetzt werden, während gewährleistet wird, dass der Einspritzpunkt jenseits des OT liegt.
Nach der in 1 gezeigten Konstruktion und dem in dem Zeitschaubild von 3 gezeigten Steuerbetrieb ist es möglich, weitere Funktionsmerkmale und Wirkungen zu erhalten, welche nachstehend beschrieben werden.
Da das in 1 gezeigte Wirbelsteuerventil 17 zumindest im Niedriglastbereich geschlossen ist, wenn der Katalysator noch nicht erwärmt ist, erzeugt es einen Wirbel im Brennraum 5 und verbessert dadurch die Verwirbelung in dem Brennraum 5. Wenn ein solches die Verwirbelung verbesserndes Mittel wie das Wirbelsteuerventil 17 vorgesehen wird, wird die Verbrennungsstabilität durch Verbesserung der Verwirbelung im Brennraum erhöht, wenn die oben erwähnte geteilte Einspritzung zumindest im Niedriglastbereich vorgenommen wird, während sich der Katalysator noch in seinem nicht erwärmten Zustand befindet. Es ist daher möglich, die Verbrennungsstabilität aufrechtzuerhalten, während eine Zunahme der Pi-Fluktuationsrate unterdrückt wird, selbst wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung um einen relativ großen Betrag verzögert wird, um die Schnellzündungswirkungen zu intensivieren, und der Schnellzündungsbetrieb des Katalysators wird noch weiter begünstigt, weil der Zündzeit-Verzögerungsgrenzwert angehoben wird.
Bei dem in dem Zeitschaubild von 3 gezeigten Steuerbetrieb ist das Luft-/Kraftstoffverhältnis während des festgelegten Zeitraums (t₁ bis t₃), in welchem die Katalysatortemperatur in dem gesamten Zeitraum, da sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, besonders niedrig ist, auf einen "mageren" Wert gesetzt, so dass die HC- und anderen Emissionen in den Abgasen reduziert werden. Weiterhin liegt ein Sauerstoffüberschuss vor, wenn das Luft-/Kraftstoffverhältnis wie oben beschrieben auf den "mageren" Wert gesetzt wird, und dies macht es möglich, eine ausreichende Nachverbrennung des durch die geteilte Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs vorzunehmen, und ist für die Schnellzündung vorteilhaft. Von dem festgelegten Zeitpunkt t₃, an dem die Katalysatortemperatur in gewissem Maß gestiegen ist und der Katalysator mehr oder weniger aktiviert wird, wenngleich er sich immer noch in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis auf das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis (λ = 1) gesetzt. Daher werden HC und NOx durch die Konvertierungswirkungen des Katalysators reduziert und deren Reaktion dient auch der Begünstigung des Schnellzündungsbetriebs des Katalysators.
Die Art der Durchführung der Luft-/Kraftstoffverhältnissteuerung ist nicht auf das vorstehende praktische Beispiel beschränkt. Das Luft-/Kraftstoffverhältnis kann zum Beispiel während eines bestimmten Zeitraums, da sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, auf einen "magereren" Wert als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gesetzt werden (aber nicht über 17 hinaus), oder das Luft-/Kraftstoffverhältnis kann so gesteuert werden, dass es ab einem Zeitpunkt unmittelbar nach Motoranlassen dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis entspricht.
In 3 wird auch eine geteilte Einspritzung für die Schnellzündung vorgenommen und der Zündzeitpunkt verzögert, wenn sich der Katalysator noch in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, und um zur Verringerung von Drehmomenterschütterungen, die eintreten, wenn dieser Steuerbetrieb aufgehoben wird, und zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs beizutragen, wird der Zündzeitpunkt hin zur MBT-Seite verstellt, wenn die Katalysatortemperatur angestiegen ist, und dann wird der oben erwähnte Modus der geteilten Einspritzung aufgehoben. Dieser Vorgang kann jedoch so geändert werden, dass das oben erwähnte Verstellen des Zündzeitpunkts und das Aufheben des Modus der geteilten Einspritzung gleichzeitig erfolgen.
Der Zeitpunkt der früheren Einspritzung im Modus der geteilten Einspritzung, wenn sich der Katalysator noch in seinem unerwärmten Zustand befindet, ist nicht auf den Ansaugtaktzeitraum beschränkt, sondern kann an jedem Punkt während des Ansaugtakts oder später liegen, solange dieser Punkt vor der späteren Einspritzung liegt. Zum Beispiel kann die frühere Einspritzung während des früheren Teils des Verdichtungstakts vorgenommen werden.
Die insofern mittels eines spezifischen Beispiels beschriebene Erfindung bietet die folgenden Merkmale und Vorteile.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einem in einem Auslasskanal vorgesehenen Katalysator für das Umwandeln von Abgasen und einem Einspritzventil für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum eine Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung für das Beurteilen des Temperaturzustands des Katalysators sowie ein Kraftstoffeinspritz-Steuergerät für das Steuern der Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils, wobei das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil anhand von Beurteilungsergebnissen der Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung so steuert, dass das Einspritzventil mindestens in einem Niedriglastbereich des Motors, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur niedriger als seine Aktivierungstemperatur ist, eine mindestens in zwei Schritte geteilte Einspritzung während eines Zeitraums ab einem Ansaugtakt bis zu einem Zündzeitpunkt einschließlich eines in einem mittleren Teils eines Verdichtungstakts oder später vorgenommenen späteren Einspritzzyklus und eines vor dem späteren Einspritzzyklus vorgenommenen früheren Einspritzzyklus, vornimmt und entweder der spätere Einspritzzyklus oder der frühere Einspritzzyklus Kraftstoff einspritzt, welcher während eines Hauptverbrennungszeitraums zur Hauptverbrennung beiträgt, wobei 10% bis 90% der eingespritzten Kraftstoffmasse in einem im Brennraum stattfindenden Verbrennungsvorgang verbrannt werden. Die in dem früheren Einspritzzyklus und in dem späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoffmengen werden zueinander gleich gehalten.
Nach dieser Ausgestaltung der Erfindung nimmt das Einspritzventil zumindest im Niedriglastbereich des Motors, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, eine geteilte Einspritzung vor. Der in dem mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später durchgeführte spätere Einspritzzyklus erzeugt ein ungleichmäßiges Gemisch, in welchem lokal fette Gemischmassen erzeugt werden. Da die relativ fetten Gemischmassen nahe einer Zündkerze verstreut oder verteilt sind, werden Zündfähigkeit und Verbrennungsstabilität nach der Zündung sichergestellt, und da durch den früheren Einspritzzyklus eine gleichmäßige und magere Gemischschicht gebildet wird, verlangsamt sich die Verbrennung in einem letzteren Teil des Verbrennungszeitraums und läuft bis zu einem vergleichsweise späteren Zeitpunkt ab. Aufgrund dieser langsamen Verbrennung im letzteren Teil des Verbrennungszeitraums (welcher als Nachverbrennung bekannt ist) werden NC und NOx in den vom Brennraum freigesetzten Abgasen reduziert, was zu einer Verbesserung der Emissionen führt, während sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, und die Abgastemperatur wird angehoben, so dass der Zündungsbetrieb des Katalysators signifikant verbessert wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einem Katalysator in einem Auslasskanal und mit einem Einspritzventil für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum eine Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung für das Beurteilen des Temperaturzustands des Katalysators, welcher in dem Auslasskanal für das Konvertieren der Abgase vorgesehen ist, sowie ein Kraftstoffeinspritz-Steuergerät für das Steuern der Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils, wobei das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil anhand von Beurteilungsergebnissen der Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung so steuert, dass das Einspritzventil unabhängig davon, ob der Motor bereits warm ist oder nicht, aber wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur niedriger als seine Aktivierungstemperatur ist, eine mindestens in zwei Schritte geteilte Einspritzung während eines Zeitraums ab einem Ansaugtakt bis zu einem Zündzeitpunkt einschließlich eines in einem mittleren Teils eines Verdichtungstakts oder später vorgenommenen späteren Einspritzzyklus und eines vor dem späteren Einspritzzyklus vorgenommenen früheren Einspritzzyklus vornimmt und entweder der spätere Einspritzzyklus oder der frühere Einspritzzyklus Kraftstoff einspritzt, der zur Hauptverbrennung beiträgt.
Nach dieser Ausgestaltung werden Zündfähigkeit und Verbrennungsstabilität, während sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, durch die geteilte Einspritzung sichergestellt, unabhängig davon, ob der Motor bereits warm ist oder nicht. Weiterhin werden Abgastemperatur-Anhebungswirkungen aufgrund der Nachverbrennung erzielt, so dass eine Verbesserung der Emissionen, während sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet, und die Begünstigung des Schnellzündungsbetriebs des Katalysators verwirklicht werden.
In der oben erwähnten Form der Erfindung ist die im früheren Einspritzzyklus der geteilten Einspritzung, die bei einem Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand vorgenommen wird, eingespritzte Kraftstoffmenge so groß, dass sie ein mageres Gemisch erzeugt, welches ein höheres Luft-/Kraftstoffverhältnis als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis aufweist und zumindest durch den in dem späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoff zu Flammenausbreitung und dessen Verbrennung fähig ist.
Insbesondere ist bevorzugt, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis im gesamten Brennraum so eingestellt wird, dass es in einen Bereich von 13 bis 17 fällt, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet. Das allein durch den früheren Einspritzzyklus verwirklichte Luft-/Kraftstoffverhältnis im Brennraum, wird auf einen Wert gleich oder höher dem Luft-/Kraftstoffverhältnis des Entflammbarkeitsgrenzwerts gesetzt.
Durch diese Anordnung werden Zündung und die anschließende Verbrennung in der späteren Einspritzung zufriedenstellend ausgeführt und der in dem früheren Einspritzzyklus eingespritzte Kraftstoff wird durch die Flammenausbreitung durch den in dem späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoff und dessen Verbrennung verbrannt. Nach derartiger Durchführung der Nachverbrennung ist es möglich, so vorteilhafte Wirkungen wie eine Reduktion von HC, NOx und anderen Emissionen, eine Erhöhung der Abgastemperatur und den resultierenden Schnellzündungsbetrieb zu gewinnen.
Der Grund, warum das Luft-/Kraftstoffverhältnis in den Bereich von 13 bis 17 zu setzen ist, liegt darin, dass eine hohe Wärmefreisetzungsrate in diesem Bereich des Luft-/Kraftstoffverhältnisses erhalten wird und es möglich ist, ein Luft-/Kraftstoffverhältnis zu verwenden, welches die Abgastemperatur erhöhen kann.
Die oben erwähnte Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs bedeutet die gesamte während des Zeitraums ab Ansaugtakt bis zum Zündpunkt eingespritzte Kraftstoffmenge.
Erfindungsgemäß werden die in dem früheren Einspritzzyklus eingespritzte Kraftstoffmenge und die im späteren Einspritzzyklus eingespritzte Kraftstoffmenge in der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn der Katalysator sich in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, zueinander gleich gehalten. Vor allem in einem extremen Niedriglastbereich wie dem Leerlaufbereich, in dem die dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge klein ist, erreichen die einzuspritzenden aufgeteilten Kraftstoffmengen eine steuerbare Kraftstoffmindestmenge (Impulslänge der Mindesteinspritzung). Demgemäss werden diese einzuspritzenden Kraftstoffmengen zu einander gleich gehalten, wenn eine Möglichkeit besteht, dass die einzuspritzende kleinere Kraftstoffmenge kleiner als die einzuspritzende steuerbare Kraftstoffmindestmenge wird, wenn die durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge sich von der durch die spätere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge unterscheidet.
Bei dem oben erwähnten Steuergerät der Erfindung ist es wünschenswert, bei der mit Katalysator in nicht erwärmtem Zustand durchgeführten geteilten Einspritzung den späteren Einspritzzyklus vor Verstreichen von dreiviertel des Zeitraums des Verdichtungstakts zu beginnen. Denn wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung weiter verzögert wird, nimmt die Drehmoment-Fluktuationsrate zu und die Verbrennungsstabilität geht verloren.
Wenn ein Zündzeitpunkt-Steuergerät vorgesehen wird, welches bei Vornehmen der oben erwähnten geteilten Einspritzung, während sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, den Zündzeitpunkt um einen bestimmten Betrag über MBT hinaus verzögert, ist es möglich, die Abgastemperatur-Anhebungswirkungen durch Verzögern des Zündzeitpunkts zu erreichen. Insbesondere erzeugt die Verzögerung des Zündzeitpunkts verbunden mit der geteilten Einspritzung, welche Verbrennbarkeit gewährleistet, Synergiewirkungen des Schnellzündungsbetriebs.
Bei Verzögern des Zündzeitpunkts in der oben erwähnten Weise ist es vorteilhaft, wenn der spätre Einspritzzyklus der geteilten Einspritzung, der durchgeführt wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, begonnen wird, bevor der mittlere Teil des Verdichtungstakts verstreicht. Mit anderen Worten: wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung unter der Bedingung der verzögerten Zündzeit über diesen Punkt hinaus verzögert wird, steigt die Drehmoment-Fluktuationsrate an und die Verbrennungsstabilität geht verloren.
Wenn die Katalysatortemperatur nach dem Start der geteilten Einspritzung und Verzögerung des Zündzeitpunkts bei Katalysator in nicht aufgewärmtem Zustand gestiegen ist, wird zudem der Modus der geteilten Einspritzung aufgehoben und der Zündzeitpunkt wird hin zur MBT-Seite in dieser Reihenfolge oder umgekehrter Reihenfolge verstellt. Drehmomenterschütterungen werden durch Durchführen der Schritte für das Aufheben des Modus der geteilten Einspritzung und Verstellen des Zündzeitpunkts hin zur MBT-Seite mit gewisser zeitlicher Verzögerung auf diese Weise verringert.
Es ist jedoch bevorzugt, zuerst den Schritt für das Verstellen des Zündzeitpunkts hin zur MBT-Seite durchzuführen, wenn die Katalysatortemperatur nach Beginn der geteilten Einspritzung und Verzögerung des Zündzeitpunkts, während sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, gestiegen ist. Denn wenn der oben erwähnte Schritt für das Aufheben des Modus der geteilten Einspritzung zuerst durchgeführt wird, wird wahrscheinlich durch die Verzögerung des Zündzeitpunkts eine Verschlechterung der Verbrennbarkeit verursacht.
Bei einem Vorgehen kann nach Beginn der geteilten Einspritzung und Verzögerung des Zündzeitpunkts, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, der Zündzeitpunkt hin zur MBT-Seite verstellt werden, sobald der Modus der geteilten Einspritzung aufgehoben wurde.
Da eine Verschlechterung der Verbrennbarkeit in gewissen Fällen durch die Verzögerung des Zündzeitpunkts verursacht werden kann, wenn die geteilte Einspritzung gestoppt wird, wird der Zündzeitpunkt spätestens verstellt, sobald der Modus der geteilten Einspritzung aufgehoben wurde.
Wenn das Luft-/Kraftstoffverhältnis innerhalb des gesamten Brennraums in etwa auf das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gesetzt wird, wenn sich der Katalysator in der Erfindung in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, werden hinreichende Abgastemperatur-Anhebungswirkungen erzielt und der Katalysator beginnt seine Konvertierungswirkungen aufzuweisen, wenn er in gewissem Maß aktiviert wird, sogar bevor er seinen voll erwärmten Zustand erreicht hat.
Eine ordnungsgemäße Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses wird verwirklicht, wenn ein O₂-Sensor, dessen Output beim stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis variiert, und eine Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung vorgesehen wird, welche die durch Rückführungsregelung einzuspritzende Kraftstoffmenge berechnet, so dass beruhend auf dem Output des O₂-Sensors nach dessen Aktivierung bei einem in dem nicht aufgewärmten Zustand befindlichen Katalysator das Luft-/Kraftstoffverhältnis dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis entspricht.
Das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum kann, wenn sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet, in einem Bereich, der nicht 17 übersteigt, auf einen magereren Wert als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gesetzt werden. Wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis auf einen mehr oder weniger magereren Wert gesetzt, wenn sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet, ist dies vorteilhaft bei der Reduktion von NC und NOx in den vom Motor freigesetzten Abgasen.
Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, dass das Steuergerät einen O₂-Sensor, dessen Output bei stöchiometrischem Luft-/Kraftstoffverhältnis variiert, und eine Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung für das Berechnen der durch die Rückführungsregelung einzuspritzenden Kraftstoffmenge basierend auf dem Output des O₂-Sensors nach dessen Aktivieren, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, umfasst, wobei die Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung das Luft-/Kraftstoffverhältnis bei einem zur mageren Seite des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses verschobenen Punkt ansetzt, indem es einen von Faktoren wie eine Verzögerungszeit der Änderung eines Steuerwerts, welche bei umgekehrtem Output des O₂-Sensors zutrifft, eine Proportionalitätskonstante und eine Integrationskonstante ändert.
Nach dieser Konfiguration ist es möglich, eine effektive Rückführungsregelung durchzuführen, selbst wenn ein magerer Zustand erzeugt wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, indem ein λO₂-Sensor (eine Art von O₂-Sensor, dessen Output beim stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis variiert) verwendet wird, so dass es bei Durchführen der Rückführungsregelung bei dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis nach Erwärmen des Katalysators vorteilhaft ist.
In dem Fall, da das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum auf einen magereren Wert als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gesteuert wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, wie oben beschrieben wurde, ist es vorteilhaft, das Luft-/Kraftstoffverhältnis hin zur "fetteren" Seite gemäß einer anschließenden Zunahme der Katalysatortemperatur zu ändern.
Insbesondere wenn das Luft-/Kraftstoffverhältnis von dem mageren Zustand zur "fetteren" Seite geändert wird oder zum Beispiel dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis angepasst wird, wenn die Katalysatortemperatur auf einen Wert gestiegen ist, bei dem ein Aktivieren des Katalysators einsetzt, ist es vorteilhaft für die Nutzung der Konvertierungswirkungen des Katalysators und die Schnellzündungswirkungen werden weiter verstärkt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einem in einem Auslasskanal vorgesehenen Katalysator für das Konvertieren von Abgasen und mit einem Einspritzventil für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum eine Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung für das Beurteilen des Temperaturzustands des Katalysators und ein Kraftstoffeinspritz-Steuergerät für das Steuern der Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils, wobei das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil anhand von Beurteilungsergebnissen der Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung so steuert, dass das Einspritzventil eine geteilte Einspritzung in zwei Schritten einschließlich eines früheren Einspritzzyklus, der während des Zeitraums eines Ansaugtakts durchgeführt wird, und eines späteren Einspritzzyklus, der in einem mittleren Teil eines Verdichtungstakts oder später, aber nicht später als 45° vor dem oberen Totpunkt desselben, begonnen wird, vornimmt, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, und wobei das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum so einstellt, dass es in einen Bereich von 13 bis 17 fällt.
Da die gesamte Menge des eingespritzten Kraftstoffs so angepasst wird, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum in den Bereich von 13 bis 17 fällt, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, ist es in dieser Ausgestaltung der Erfindung möglich, das Luft-/Kraftstoffverhältnis zu verwenden, welches eine hohe Wärmefreisetzungsrate liefert, die für das Anheben der Abgastemperatur geeignet ist.
Bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Steuergerät sollte der spätere Einspritzzyklus der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet, vorzugsweise in einem Zeitraum nicht später als 45° vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts beginnen. Bevorzugt ist, dass der spätere Einspritzzyklus der geteilten Einspritzung in einem Zeitraum von 120° vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts bis zu 45° vor dem oberen Totpunkt desselben begonnen wird. Die Verbrennungsstabilität wird gefährdet, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung später als in den erwähnten Zeiträumen einsetzt, wohingegen eine Ungleichmäßigkeit der Gemischkonzentration nicht ausreichend erzeugt wird, wenn der Startpunkt der späteren Einspritzung früher als in den oben erwähnten Zeiträumen liegt.
Vorzugsweise sollte die in dem früheren Einspritzzyklus der geteilten Einspritzung, die durchgeführt wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet, eingespritzte Kraftstoffmenge so hoch sein, dass sie ein mageres Gemisch erzeugt, welches ein höheres Luft-/Kraftstoffverhältnis als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis aufweist und Flammenausbreitung zumindest durch den im späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoff und dessen Verbrennung erzeugen kann.
In einem extremen Niedriglastbereich wie dem Leerlaufbereich, in welchem die dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge klein ist, nähern sich geteilten einzuspritzenden Kraftstoffmengen einer steuerbaren Mindestmenge des einzuspritzenden Kraftstoffs (Mindestimpulslänge der Einspritzung). Demgemäss werden erfindungsgemäß diese einzuspritzenden Kraftstoffmengen gleich gehalten, wenn die Möglichkeit besteht, dass die kleinere einzuspritzende Kraftstoffmenge kleiner als die steuerbare Kraftstoffmindestmenge wird, die einzuspritzen ist, wenn die durch die frühere Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge sich von der durch die spätere Einspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge unterscheidet.
Wenn der Katalysator seinen erwärmten Zustand erreicht hat und seine Temperatur gleich oder höher als seine Aktivierungstemperatur ist, kann der Modus der Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils auf Ansaugtakt-Einspritzung oder auf Verdichtungstakt-Einspritzung geschaltet werden, wie dies häufig im Steuerbetrieb dieser Art von Brennkraftmaschinen geschieht.
Die Wirkungen der Schnellzündung werden verbessert, wenn das erfindungsgemäße Steuergerät weiterhin ein Zündzeitpunkt-Steuergerät für das Verzögern eines Zündzeitpunkts um einen festgelegten Betrag von einer Mindestfrühzündung für bestes Drehmoment (MBT) umfasst, wenn die geteilte Einspritzung durchgeführt wird, während sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet. In diesem Fall ist es bevorzugt, den Zündpunkt um einen festgelegten Betrag vom MBT zu verzögern, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, und dann entsprechend einer Zunahme der Katalysatortemperatur den Zündpunkt hin zum MBT zu verstellen.
Erfindungsgemäß kann das Luft-/Kraftstoffverhältnis im gesamten Brennraum auf einen Wert gleich oder höher als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gestellt werden, wenn der Katalysator sich in seinem nicht erwärmten Zustand befindet. Dies macht es möglich, ein Luft-/Kraftstoffverhältnis zu erhalten, welches bei der Reduktion von HC und NOx in den vom Motor freigesetzten Abgasen und beim Schnellzündungsbetrieb des Katalysators vorteilhaft ist.
Eine ordnungsgemäße Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses, welche bei der Reduktion von NC und NOx und beim Schnellzündungsbetrieb des Katalysators vorteilhaft ist, wird erreicht, wenn ein O₂-Sensor, dessen Output beim stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis variiert, und eine Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung, welche die durch die Rückführungsregelung einzuspritzende Kraftstoffmenge anhand des Outputs des O2-Sensors nach dessen Aktiveren bei Katalysator in nicht erwärmtem Zustand berechnet, so dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis entspricht, vorgesehen werden.
Das oben erwähnte Steuergerät kann weiterhin einen O₂-Sensor, dessen Output beim stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis variiert, sowie eine Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung für das Berechnen der durch die Rückführungsregelung einzuspritzenden Kraftstoffmenge basierend auf dem Output des O₂-Sensors nach dessen Aktivieren bei Katalysator in nicht erwärmtem Zustand umfassen, wobei die Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung das Luft-/Kraftstoffverhältnis bei einem zur mageren Seite des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses verschobenen Punkt ansetzt, indem es einen von Faktoren wie eine Verzögerungszeit der Änderung eines Steuerwerts, welche bei umgekehrtem Output des O₂-Sensors zutrifft, eine Proportionalitätskonstante und eine Integrationskonstante ändert.
Das Steuergerät kann solcher Art sein, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum auf einen höheren Wert als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gesetzt wird, wenn der Katalysator sich in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, und dann das Luft-/Kraftstoffverhältnis bei Ansteigen der Katalysatortemperatur zur fetten Seite geändert wird.
Das Steuergerät kann weiterhin eine Verwirbelungsverbesserungsvorrichtung für das Verbessern der Verwirbelung im Brennraum, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, umfassen. Bei dieser Konstruktion wird die Verbrennbarkeit durch die verbesserte Verwirbelung erhöht und der Zündzeit-Verzögerungsgrenzwert wird angehoben, wenn die geteilte Einspritzung vorgenommen wird, so dass der Zündungsbetrieb des Katalysators sogar noch mehr begünstigt wird.
Weiterhin kann ein Motordrehzahl-Steuergerät für das Steuern des Motors vorgesehen werden, so dass seine Leerlaufdrehzahl höher wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, als nach Erwärmen des Katalysators. Wenn die Motordrehzahl steigt, während die geteilte Einspritzung vorgenommen wird, wird die Verbrennbarkeit erhöht und der Zündzeitverzögerungsgrenzwert wird angehoben, so dass der Zündungsbetrieb des Katalysators sogar noch mehr begünstigt wird.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einem Katalysator in einem Auslasskanal für das Konvertieren von Abgasen und mit einem Einspritzventil für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum eine Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung für das Beurteilen des Temperaturzustands des Katalysators, einen Lastzustanddetektor für das Erfassen von Motorlastbedingungen sowie ein Kraftstoffeinspritz-Steuergerät für das Steuern der Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils, wobei das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil anhand von Beurteilungsergebnissen der Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung und bei Erfassen von Ergebnissen des Lastzustanddetektors so steuert, dass das Einspritzventil Kraftstoff in einem Verdichtungstakt einspritzt, damit der Motor eine Schichtladungsverbrennung in seinem Niedriglastbereich ausführt, und Kraftstoff in einem Ansaugtakt einspritzt, damit der Motor eine gleichmäßige Verbrennung in seinem Hochlastbereich ausführt, wenn sich der Katalysator in seinem erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur gleich oder höher als seine Aktivierungstemperatur ist, und das Einspritzventil zumindest in einem Niedriglastbereich des Motors, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur niedriger als seine Aktivierungstemperatur ist, eine geteilte Einspritzung in zwei Schritten vornimmt, einschließlich eines während des Zeitraums des Ansaugtakts ausgeführten früheren Einspritzzyklus und eines in einem mittleren Teils des Verdichtungstakts oder später, aber nicht später als 45° vor dem oberen Totpunkt desselben begonnenen späteren Einspritzzyklus, und wobei das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum so setzt, dass es in einen Bereich von 13 bis 17 fällt.
Nach dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden die Wirkungen der Schnellzündung und der HC- und NOx-Reduktion erzielt, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, und Schichtladungsverbrennung und gleichmäßige Verbrennung werden zum Beispiel entsprechend den Betriebsbedingungen ausgeführt, nachdem der Katalysator seinen enrwärmten Zustand erreicht hat.
In einer noch weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung umfasst ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einem Katalysator in einem Auslasskanal für das Konvertieren von Abgasen und mit einem Einspritzventil für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum eine Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung für das Beurteilen des Temperaturzustands des Katalysators, sowie ein Kraftstoffeinspritz-Steuergerät für das Steuern der Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils, wobei das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil anhand von Beurteilungsergebnissen der Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung so steuert, dass das Einspritzventil Kraftstoff in einem Ansaugtakt einspritzt, damit der Motor eine gleichmäßige Verbrennung ausführt, wenn sich der Katalysator in seinem erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur gleich oder höher als seine Aktivierungstemperatur ist, und dass das Einspritzventil zumindest in einem Niedriglastbereich des Motors, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur niedriger als seine Aktivierungstemperatur ist, eine geteilte Einspritzung in zwei Schritten vornimmt, einschließlich eines während des Zeitraums des Ansaugtakts ausgeführten früheren Einspritzzyklus und eines in einem mittleren Teils des Verdichtungstakts oder später, aber nicht später als 45° vor dem oberen Totpunkt desselben begonnenen späteren Einspritzzyklus, und wobei das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum so setzt, dass es in einen Bereich von 13 bis 17 fällt.
Nach dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden die Wirkungen der Schnellzündung und der HC- und NOx-Reduktion erzielt, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, und es wird eine gleichmäßige Verbrennung ausgeführt, nachdem der Katalysator seinen erwärmten Zustand erreicht hat.
Bevorzugt ist, dass das oben erwähnte erfindungsgemäße Steuergerät weiterhin ein Zündzeitpunkt-Steuergerät für das Verzögern eines Zündzeitpunkts um einen festen Betrag vom MBT umfasst.
Bevorzugt ist weiterhin, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum auf einen Wert gleich oder etwas höher als das stöchiometrische Luft- /Kraftstoffverhältnis gesetzt wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet.
Weiterhin ist bevorzugt, dass das oben erwähnte erfindungsgemäße Steuergerät weiterhin einen O₂-Sensor, dessen Output bei stöchiometrischem Luft-/Kraftstoffverhältnis variiert, und eine Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung für das Berechnen der durch die Rückführungsregelung einzuspritzenden Kraftstoffmenge basierend auf dem Output des O₂-Sensors nach dessen Aktivieren bei Katalysator in nicht erwärmtem Zustand umfasst, so dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses entspricht.
INDUSTRIELLE EIGNUNG
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, dient die vorliegende Erfindung der Reduktion von HC und NOx in Abgasen, die von einem Brennraum freigesetzt werden, wenn sich ein Katalysator noch in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, was zu einer Verbesserung der Emissionen führt, sowie einer signifikanten Begünstigung des Schnellzündungsbetriebs des Katalysators infolge eines Anstiegs der Abgastemperatur. Die Erfindung ist zum Beispiel insbesondere für den Einsatz bei einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, welche in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, geeignet.

Claims

Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einem in einem Auslasskanal vorgesehenen Katalysator für das Umwandeln von Abgas sowie mit einem Einspritzventil für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Brennraum, wobei die Steuervorrichtung umfasst: – eine Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung für das Beurteilen des Temperaturzustands des Katalysators; und – ein Kraftstoffeinspritz-Steuergerät für das Steuern der Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils; wobei das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil anhand der Beurteilungsergebnisse der Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung so steuert, dass das Einspritzventil zumindest in einem Niedriglastbereich des Motors, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, in dem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt, eine mindestens in zwei Schritte aufgeteilte Einspritzung während eines Zeitraums zwischen einem Ansaugtakt bis zu einem Zündpunkt vornimmt, welche einen in einem mittleren Teil eines Verdichtungstakts durchgeführten späteren Einspritzzyklus und einen vor dem späteren Einspritzzyklus durchgeführten früheren Einspritzzyklus einschließt, und entweder der spätere Einspritzzyklus oder der frühere Einspritzzyklus Kraftstoff einspritzt, der während eines Hauptverbrennungszeitraums zur Hauptverbrennung beiträgt, bei welcher etwa 10 bis 90 Masseprozent des eingespritzten Kraftstoffs in einem im Brennraum stattfindenden Verbrennungsvorgang verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem früheren Einspritzzyklus und in dem späteren Einspritzzyklus der aufgeteilten Einspritzung, die bei nicht erwärmtem Zustand des Katalysators durchgeführt wird, eingespritzten Kraftstoffmengen gleich groß gehalten werden.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil so steuert, dass das Einspritzventil die in zwei Schritte aufgeteilte Einspritzung unabhängig davon vornimmt, ob der Motor bereits warm gelaufen ist oder nicht, aber wenn der Katalysator sich in seinem nicht erwärmten Zustand befindet.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil so steuert, dass das Einspritzventil die in zwei Schritte aufgeteilte Einspritzung vornimmt, welche einen während des Zeitraums eines Ansaugtakts durchgeführten früheren Einspritzungszyklus und einen in einem mittleren Teil eines Verdichtungstakts oder später, aber nicht später als 45° vor dem oberen Totpunkt desselben begonnenen späteren Einspritzzyklus einschließt, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur unter seiner Aktivierungstemperatur liegt; und das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum so einstellt, dass es in einen Bereich von 13 bis 17 fällt und die Menge des in dem früheren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoffs in einen Bereich von etwa 1/5 bis etwa 4/5 der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs fällt.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des in dem früheren Einspritzzyklus der bei einem nicht erwärmten Katalysator vorgenommenen aufgeteilten Kraftstoffeinspritzung eingespritzten Kraftstoffs so groß ist, dass sie ein mageres Gemisch erzeugt, welches ein höheres Luft-/Kraftstoffverhältnis als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis aufweist und zumindest durch den in dem späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoff und dessen Verbrennung zu Flammenausbreitung fähig ist, und das magere Luft-/Kraftstoffverhältnis, das höher als das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis ist und durch den in dem späteren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoff und dessen in dem Brennraum durch den früheren Einspritzzyklus allein erzeugte Verbrennung zur Flammenausbreitung fähig ist, auf 85 oder weniger gesetzt wird.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass der Modus der Kraftstoffeinspritzung des Einspritzventils auf Ansaugtakteinspritzung oder auf Verdichtungstakteinspritzung umgeschaltet wird, wenn der Katalysator seinen erwärmten Zustand erreicht hat und seine Temperatur gleich oder größer als seine Aktivierungstemperatur ist.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 3, welche weiterhin eine Zündzeitpunktverstellungssteuervorrichtung für das Verzögern eines Zündzeitpunkts um einen festgelegten Betrag von einer minimalen Frühverstellung für bestes Drehmoment (sogenanntes MBT) bei Vornahme der geteilten Einspritzung, während sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, umfasst.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt um einen festgelegten Betrag von dem MBT verzögert wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet, und dann der Zündzeitpunkt entsprechend einer Zunahme der Katalysatortemperatur in Richtung MBT verstellt wird.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum auf einen Wert gleich oder höher als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gesetzt wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht erwärmten Zustand befindet.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 8, welche weiterhin umfasst: einen O₂-Sensor, dessen Output bei dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis schwankt; und eine Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung für das Berechnen der durch die Regelung einzuspritzenden Kraftstoffmenge, so dass, wenn sich der Katalysator in nicht erwärmtem Zustand befindet, das Luft-/Kraftstoffverhältnis im Wesentlichen dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis beruhend auf dem Output des O₂-Sensors nach dessen Aktivieren entspricht.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 8, welche weiterhin umfasst: einen O₂-Sensor, dessen Output bei dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis schwankt; und – eine Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung für das Berechnen der durch die Regelung einzuspritzenden Kraftstoffmenge anhand des Output des O₂-Sensors nach dessen Aktivieren, wenn sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet; dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung das Luft-/Kraftstoffverhältnis auf einen Punkt hin zur mageren Seite des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses verschoben einstellt, indem es einen der Faktoren wie Verzögerungszeit für die Änderung eines Steuerwerts, der bei invertiertem Output des O₂-Sensors zutrifft, Proportionalitätskonstante und Integrationskonstante anpasst.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum auf einen Wert höher als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gesetzt wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet, und dann das Luft-/Kraftstoffverhältnis bei Zunahme der Katalysatortemperatur hin zur fetten Seite geändert wird.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche weiterhin eine Vorrichtung zur Verbesserung der Verwirbelung für das Verbessern der Verwirbelung in dem Brennraum, wenn sich der Katalysator in nicht aufgewärmtem Zustand befindet, umfasst.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche weiterhin einen Motordrehzahlregler für ein derartiges Regeln des Motors umfasst, dass seine Leerlaufdrehzahl höher wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet, als nach dem Erwärmen des Katalysators.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1, welche weiterhin einen Lastzustandsdetektor für das Erfassen von Motorlastzuständen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil anhand von Beurteilungsergebnissen der Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung und anhand von Erfassungsergebnissen des Lastzustandsdetektors so steuert, dass das Einspritzventil in einem Verdichtungstakt Kraftstoff einspritzt, damit der Motor eine Schichtladungsverbrennung in seinem Niedriglastbereich ausführt, und in einem Ansaugtakt Kraftstoff einspritzt, damit der Motor eine gleichmäßige Verbrennung in seinem Hochlastbereich ausführt, wenn sich der Katalysator in seinem erwärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur gleich oder höher als seine Aktivierungstemperatur ist, und dass das Einspritzventil zumindest in einem Niedriglastbereich des Motors, wenn der Katalysator sich in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur niedriger als seine Aktivierungstemperatur ist, eine in zwei Schritte aufgeteilte Einspritzung vornimmt, welche einen während des Zeitraums eines Ansaugtakts durchgeführten früheren Einspritzungszyklus und einen in einem mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später, aber nicht später als 45° vor dem oberen Totpunkt desselben begonnenen späteren Einspritzzyklus einschließt; und das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum so einstellt, dass es in einen Bereich von 13 bis 17 fällt und die Menge des in dem früheren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoffs in einen Bereich von etwa 1/5 bis etwa 4/5 der Gesamtmenge des bei der aufgeteilten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs fällt.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritz-Steuergerät das Einspritzventil anhand der Beurteilungsergebnisse der Temperaturzustandsbestimmungsvorrichtung so steuert, dass das Einspritzventil in einem Ansaugtakt Kraftstoff einspritzt, damit der Motor eine gleichmäßige Verbrennung durchführt, wenn sich der Katalysator in seinem erwärmten Zustand befindet, in dem seine Temperatur gleich oder höher als seine Aktivierungstemperatur ist, und dass das Einspritzventil zumindest in einem Niedriglastbereich des Motors, wenn sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet, in welchem seine Temperatur niedriger als seine Aktivierungstemperatur ist, eine in zwei Schritte aufgeteilte Einspritzung vornimmt, welche einen während des Zeitraums des Ansaugtakts durchgeführten früheren Einspritzungszyklus und einen in einem mittleren Teil des Verdichtungstakts oder später, aber nicht später als 45° vor dem oberen Totpunkt desselben begonnenen späteren Einspritzzyklus einschließt; und das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum so einstellt, dass es in einen Bereich von 13 bis 17 fällt und die Menge des in dem früheren Einspritzzyklus eingespritzten Kraftstoffs in einen Bereich von etwa 1/5 bis etwa 4/5 der Gesamtmenge des in der aufgeteilten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs fällt.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 14 oder 15, welche weiterhin eine Zündzeitpunktverstellungssteuervorrichtung für das Verzögern eines Zündzeitpunkts um einen festgelegten Betrag von einer minimalen Frühverstellung für bestes Drehmoment (sogenanntes MBT) umfasst.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem gesamten Brennraum auf einen Wert gleich oder höher als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis gesetzt wird, wenn sich der Katalysator in seinem nicht aufgewärmten Zustand befindet.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach Anspruch 17, welche weiterhin umfasst: – einen O₂-Sensor, dessen Output bei dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis schwankt; und – eine Einspritzmengen-Berechnungsvorrichtung für das Berechnen der durch die Regelung einzuspritzenden Kraftstoffmenge, so dass, wenn sich der Katalysator in nicht erwärmtem Zustand befindet, das Luft-/Kraftstoffverhältnis dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis beruhend auf dem Output des O₂-Sensors nach dessen Aktivieren entspricht.