DE60116823T2

DE60116823T2 - Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einem Turbolader und Verfahren zu ihrer Steuerung

Info

Publication number: DE60116823T2
Application number: DE60116823T
Authority: DE
Inventors: Ltd. Int.Prop.Group Takuya c/o Hitachi 1-chome Chiyoda-ku Shiraishi; c/o Hitachi Ltd. Int.Prop.Group Toshiharu 1-chome Chiyoda-ku Nogi; c/o Hitachi Minoru 1-chome Chiyoda-ku Ohsuga; c/o Hitachi Noboru 1-chome Chiyoda-ku Tokuyasu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-09-24
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: JP2002276418A; DE60116823D1; US7032381B2; US6574961B2; US20020134081A1; EP1243779A2; EP1243779A3; EP1243779B1; US20050072151A1; EP1650421A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors mit einem Turbolader und insbesondere ein Steuerungsverfahren zum Verbessern einer Kraftstoffverbrennung während eines Hochlastbetriebs zur Reinigung von Abgasen, wodurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessert wird.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Ein Turbolader wurde zum Erhöhen eines Motordrehmoments verwendet. Im Allgemeinen dreht der Turbolader eine Turbine durch die Verwendung einer Hochtemperatur-Abgasenergie und dreht einen mit der Turbine verbundenen Kompressor, um dadurch die in den Motor aufzunehmende Luft zu komprimieren. Die Verwendung des Turboladers ermöglicht dem Motor, zum Zweck einer Erhöhung des Motordrehmoments eine größere Menge an Luft als die Menge an Abgasen aufzunehmen.
Andererseits wird in einem Magermotor, typischerweise ein Direkteinspritzmotor, in dem Bereich eines Betriebs mit niedrigem Motordrehmoment ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. Da jedoch die Menge an Luft, die von der gewünschten Menge von Kraftstoff und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt wird, durch die Menge an Motorabgasen begrenzt wird, ist der Betriebsbereich, in dem der Motor mit einem mageren Gemisch arbeiten kann, auf den Bereich eines niedri gen Motordrehmoments beschränkt. Zum Beispiel ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 11-36867 ein Direkteinspritzmotor vorgesehen mit einem Mittel zum Erhöhen der Einlassluftmenge, durch das die Menge von zugeführter Luft erhöht wird, wenn die von dem Zustand des Motorbetriebs bestimmte erforderliche Menge von Kraftstoff eine vorgegebene Menge von Kraftstoff übersteigt.
Ein neuerer Direkteinspritzmotor wird mit einem so genannten mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum Zweck einer Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit betrieben; das heißt der Direkteinspritzmotor wird mit einem Gemisch mit übermäßiger Luft betrieben, das magerer ist als das Gemisch eines theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Ferner wird in dem oben angeführten japanischen Patent der Auflader (supercharger) eingesetzt, um eine erhöhte Menge an Luft zu liefern in einem Versuch, den Betriebsbereich des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu erweitern. Der mit einem Auflader ausgestattete Direkteinspritzmotor arbeitet in dem Bereich eines hohen Motordrehmoments mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis, bei dem sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eher auf der Seite eines übermäßigen Kraftstoffs befindet als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dieser Betrieb wird auf Grundlage des folgenden Phänomens durchgeführt. In einem Bereich mit hoher Last, in dem der Motor ein großes Drehmoment entwickelt, steigt die Verbrennungstemperatur in der Motorbrennkammer an und erzeugt wahrscheinlich ein für den Motor unerwünschtes Klopfen. Um dies zu verhindern, wird normalerweise ein Mittel zum Senken der Verbrennungstemperatur durch Verzögern der Zündeinstellung verwendet. Dieses Verfahren lässt jedoch zu, dass die Abgastemperatur steigt. Um die Abgastemperatur zu senken, wird viel Kraftstoff eingespritzt, um die Abgase mit der latenten Verdunstungswärme von Kraftstoff zu kühlen. In einem Bereich mit hoher Last wird folglich mehr Kraftstoff verbraucht als erforderlich, was zu einer niedrigeren Kraftstoffwirtschaftlichkeit führt. In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2000-27427 wird das Aufladen beschrieben, das durch die Verwendung eines Turboladers zur Intensivierung einer Luftbewegung in einem Zylinder bewirkt wird, wobei die aufgenommene Luft mit einer großen Menge des eingespritzten Kraftstoffs vermischt wird und demgemäß eine gute homogene Verbrennung erzeugt wird. Die oben beschriebene frühere Erfindung ist jedoch noch nicht ausreichend, um eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit in dem Bereich einer hohen Last zu verbessern.
Demgemäß ist in einem Betriebsbereich des Motordrehmoments mit geringer Last ein magerer Verbrennungsbetrieb in der Lage, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. In einem Hochlastbetriebsbereich entwickelt sich jedoch eine Verringerung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit, insgesamt wird eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei tatsächlichen Fahrbedingungen nicht verbessert.
Wenn das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Direkteinspritzmotor mit dem Auflader zunimmt, entsteht ferner das Problem, dass in einem Bereich mit vergleichsweise hoher Last des mageren Verbrennungsbereichs sich der Kraftstoff übermäßig in einem Teil der Verbrennungskammer konzentriert, was zur Entstehung von Rauch beiträgt.
Das Dokument WO 99/42718 (D1) betrifft einen Vormischfüllungskompressionszündungsmotor mit einer optimalen Verbrennungssteuerung, der eine stabile Verbrennung aufweist bei einem Erzielen einer niedrigen Stickstoffoxid-Emission, einer guten Gesamtwirtschaftlichkeit und akzeptablen Verbrennungsgeräusch und Zylinderdruck. In diesem System werden die Zeit, wann die Verbrennung stattfindet, die Rate der Verbrennung, die Dauer der Verbrennung und/oder die Vollständigkeit der Verbrennung durch Steuerung be stimmter Variablen gesteuert, einschließlich Temperatursteuerung, Drucksteuerung, Steuerung der Gemische, Eigenschaften der Selbstentzündung und Steuerung des Äquivalenzverhältnisses. Insbesondere wird eine aktive Regelung des Verbrennungsereignisses vorgesehen, einschließlich eines Drucksensors zum Erfassen eines Motorbetriebszustands, der die Verbrennungshistorie anzeigt, z.B. den Beginn der Verbrennung, wobei zugehörige Motorbetriebszustandssignale erzeugt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der oben beschriebenen Umstände ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Verbrennung in dem Hochlastbereich eines Motordrehmoments zu verbessern, um eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit in dem Direkteinspritzmotor mit dem Turbolader zu verbessern.
Ferner soll das Auftreten von Rauch in einem Hochlastbereich in dem mageren Verbrennungsbereich in dem obigen Motor eingeschränkt werden.
Der Direkteinspritzmotor weist auf ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in die Motorbrennkammer, in der Motorbrennkammer angebrachte Einlass- und Auslassventile, ein variabler Ventilmechanismus, der die Phasen der Einlass- und Auslassventile ändern kann, eine Turbine, die in einem Auslasskanal des Motors angebracht ist und durch die Abgase gedreht wird, einen Kompressor, der in einem Einlasskanal des Motors angeordnet ist und von einer Drehkraft der Turbine gedreht wird, einen Bypasskanal zum Umgehen der Turbine, und/oder ein Steuerventil zum Regulieren der Strömungsrate von in den Bypasskanal strömenden Abgasen. In diesem Motor werden die oben beschriebenen Ziele erreicht, indem während eines Hochlastbetriebs des Motors der Druck derart gesteuert wird, dass er in dem Einlasskanal höher ist als der Druck in dem Auslasskanal, wenn sich ein entsprechender Motorzylinder in einem Zustand zwischen Auslasshub und Einlasshub nahe dem OTP (oberer Totpunkt) befindet, wobei das Einlassventil und das Auslassventil leicht geöffnet sind, um die Spülung des Abgases zu beschleunigen durch ein Ablassen des Abgases durch die Verwendung von Frischluft, die durch das Einlassventil aufgenommen wird. Das Steuerventil ermöglicht, dass die Strömung der Abgase die Turbine umgeht, wodurch der Druck in dem Auslasskanal verringert wird.
Die Aufgaben können erreicht werden durch Durchführen einer Steuerung, um die Funktionsrauchzahl FNS (function smoke number) auf 0.5 oder niedriger zu verringern, bis der angezeigte mittlere Arbeitsdruck (mean effective pressure) (ein in der Verbrennungskammer erzeugter Explosionsdruck P in Megapascal geteilt durch die Kubikmeter des Volumens V der Verbrennungskammer) ungefähr 9.5 Bar wird, wenn das Motordrehmoment bei einer konstanten Motordrehzahl erhöht wird.
Ferner können die Aufgaben ebenfalls erreicht werden durch Steuern des spezifischen Kraftstoffverbrauchs bei hoher Last, bei welcher der angezeigte mittlere Arbeitsdruck 12 Bar wird, mit ±5%, verglichen mit dem spezifischen Kraftstoffverbrauch bei einer mittleren Last, bei welcher der angezeigte mittlere Arbeitsdruck 8 Bar wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Systemzeichnung eines Direkteinspritzmotors unter Verwendung dieser Erfindung;
2 ist eine Ansicht, die das Prinzip des in dieser Erfindung auftretenden Klopfens erläutert;
3 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zum Spülen von Restgasen in dieser Erfindung erläutert;
4 ist eine Ansicht, die Druckvariationen in den Einlass- und Auslassleitungen zeigt;
5 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Bypasssteuerungsventils zeigt;
6 ist eine Ansicht, die Druckvariationen in den Einlass- und Auslassleitungen zeigt, wenn das Bypasssteuerungsventil verwendet wird;
7 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Phasen-typischen variablen Ventilmechanismus zeigt;
8 ist eine Ansicht, die Druckvariationen in den Einlass- und Auslassleitungen zeigt, wenn das Einlassventil-Timing vorgestellt wird;
9 ist eine schematische Ansicht, die das Innere der Verbrennungskammer zeigt, wenn das Einlassventil-Timing vorgestellt wird;
10 ist eine Ansicht, die Druckveränderungen in den Einlass- und Auslassleitungen zeigt, wenn das Einlassventil-Timing verzögert wird;
11 ist eine schematische Ansicht, die das Innere der Verbrennungskammer zeigt, wenn das Einlassventil-Timing verzögert wird;
12 ist eine Systemansicht des Direkteinspritzmotors, der mit einem äußeren AGR(Abgasrückführungs)-System ausgestattet ist;
13 ist eine Ansicht, die ein Beispiel des AGR-Steuerungsventils zeigt;
14 ist eine Ansicht, welche die Konfiguration einer luftunterstützten Einspritzvorrichtung erläutert;
15 ist eine Ansicht, die eine Einspritzsteuerung mittels der luftunterstützten Einspritzvorrichtung erläutert;
16 ist eine schematische Ansicht, die das Innere der Verbrennungskammer zeigt, wenn die luftunterstützte Einspritzvorrichtung verwendet wird;
17 ist eine Ansicht, die den Umfang der Anwendung dieser Erfindung zeigt;
18 ist eine Ansicht, welche die Bildung eines zweimal eingespritzten Luft-Kraftstoff-Gemisches erläutert;
19 ist eine Ansicht, die den Effekt einer zweifachen Einspritzung bei einer homogenen Verbrennung erläutert;
20 ist eine Ansicht, welche die Bildung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches bei zweifacher Einspritzung in kurzem Abstand erläutert;
21 ist eine Ansicht, welche die Bildung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches bei doppelter Einspritzung in kurzem Abstand erläutert;
22 ist eine Ansicht, die den Effekt einer doppelten Einspritzung in kurzem Abstand bei einer geschichteten Verbrennung erläutert;
23 ist eine Ansicht, die eine Form von Sprühnebel zur Realisierung von Sprühzuführung erläutert;
24 ist eine Ansicht, welche die Sprühzuführung erläutert;
25 ist eine Ansicht, welche die Sprühzuführung erläutert;
26 ist eine Ansicht, welche die Sprühzuführung erläutert;
27 ist eine Ansicht, die den Effekt der Sprühzuführung bei einer geschichteten Verbrennung erläutert;
28 ist eine Ansicht, die den Effekt der Erfindung zeigt;
29 ist eine Blockdarstellung des Direkteinspritzmotorsystems, das mit einem Temperatursensor stromaufwärts von einem Katalysator vorgesehen ist; und
30 ist eine Ansicht, die eine Katalysatortemperatursteuerung erläutert.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Kraftfahrzeugbenzinmotorsystems, welche die Erfindung verkörpern, werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Ein in 1 gezeigtes Benzinmotorsystem 1 ist vorgesehen mit einem Einlasssystem zum Zuführen der Luft in den Motor, einem Auslasssystem zum Ablassen von Abgasen aus dem Motor und einem Turbolader, der in den Leitungen der Einlass- und Auslasssysteme angebracht ist.
Das Einlasssystem ist vorgesehen mit einem Luftströmungsratesensor 2 zum Messen der Menge an Luft, die durch einen nicht gezeigten Luftfilter eingeführt wird, einem Kompressor 31, der die so eingeführte Luft komprimiert und die Druckluft ausgibt, einem Einlassluftkanal 4, der den Kompressor 31 und ein Drosselventil 3 verbindet, einem Einlassluftverteiler 9 zum Verteilen der durch das Drosselventil 3 gehenden Luft in jeden Zylinder, und einem Kollektor 5 zum Steuern eines Einlass-Pulsierens zwischen dem Einlassluftverteiler 9 und dem Drosselventil 3. Die Temperatur der in dem Kompressor 31 komprimierten Einlassluft steigt an. Deswegen wird normalerweise ein Zwischenkühler 33 in dem Einlassluftkanal 4 eingefügt, um dadurch die Temperatur der zugeführten Luft zu verringern.
Der Motor ist ein Direkteinspritzmotor mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 zum Einspritzen von Kraftstoff 15 direkt in die Verbrennungskammer 22, einem Kolben 23, einem Einlassventil 12, einem Auslassventil 14, einer Zündkerze 12, einem variablen Mechanismus 7 des Einlassventils, einem variablen Mechanismus 8 des Auslassventils, einem Wassertemperatursensor 21, einem Klopfsensor 16, einem Kurbelmechanismus 24 und Kurbelwinkelsensoren 25 und 26. Ferner sind in Verbindung mit dem Einlasssystem ein Steuerventil 6 zum Erzeugen einer verwirbelten (tumble) Luftströmung in der Verbrennungskammer 22 und eine Luftströmungsregulierplatte 10 angebracht.
In der Abgasanlage sind angebracht eine Turbine 32, die mit einem Auslasskanal 18 von dem Motor verbunden ist, der Katalysator 11, der sich relativ nahe zu dem Motor stromabwärts davon befindet, und ein Katalysator 17, der sich in der Nähe der Unterseite des Fahrzeugbodens befindet. Ferner ist in dem Auslasskanal 18 ein Steuerventil 34 angebracht, das eine Querschnittsfläche des Strömungspfa des in einem Bypasskanal 119 ändern kann, der die Turbine 32 von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite umgeht.
Der grobe Überblick über einen Motorbetrieb wird im Folgenden beschrieben. So wie sich der mit dem Motorkurbelmechanismus 24 verbundene Kolben 23 nach oben und unten bewegt, variiert die Verbrennungskammer 22 im Volumen. Mit der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 23 gelangt die Luft in den Motor und drückt verbrannte Gase heraus. Die Menge von in den Motor gelangender Luft wird von dem Drosselventil 3 gesteuert, das in dem Einlasskanal 4 angebracht ist. Es sollte angemerkt werden, dass das Drosselventil 3 ein elektronisch gesteuertes Drosselventil ist, das von einem Motor gemäß einem elektrischen Signal, basierend auf der Größe des Drucks auf das Gaspedal, angetrieben wird. Die Menge der dem Motor zugeführten Luft wird gemessen von dem Luftströmungsratesensor 2, der sich stromaufwärts von dem Drosselventil befindet. Die so zugeführte Luft wird in den Kollektor 5 gefüllt. Der Kollektor 5 ist wirksam, Druckschwankungen in dem Einlassluftverteiler 9 einzudämmen. Ein später beschriebener AGR-Kanal ist in einigen Fällen mit dem Kollektor 5 verbunden. Die Einlassluft wird zugeführt, während durch den Betrieb des Luftstromverwirbelungs-Steuerventils 6 ein Luftstrom in der Verbrennungskammer 22 erzeugt wird.
Der Kraftstoff wird nach Erhöhung eines Kraftstoffdrucks auf einen vorgegebenen Wert durch eine nicht gezeigte Kraftstoffpumpe an die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 geliefert. Die durch die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 eingespritzte Menge an Kraftstoff wird von dem Luftströmungsratesensor 2 gemessen und auf der Basis des gemessenen Werts wird die Breite eines Einspritzpulses berechnet, um ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der nicht gezeigten Steuerungseinheit zu erreichen. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 spritzt den Kraftstoff gemäß einem Einspritzsignal von der Steuerungseinheit ein.
Die Motordrehzahl kann gemessen werden durch die Verwendung zum Beispiel der Ausgabesignale des Kurbelwinkelsensors 25 und eines magnetischen Gebers 26, die an der Kurbelwelle 24 angebracht sind.
Die aus der Verbrennungskammer 24 abgegebenen Abgase werden in die Turbine 32 geleitet, die sich am Verlauf des Auslasskanals 18 befindet, wodurch die Hochtemperaturenergie in die Rotation der Turbine umgewandelt wird, und dann abgelassen.
Der mit der Turbine verbundene Kompressor 31 kann die Geschwindigkeit mit der von der Turbine 32 empfangenen Energie erhöhen und komprimiert die neu eingeführte frische Luft und sendet dann die komprimierte frische Luft an den Motor. Die aus der Turbine 32 abgelassenen Abgase fließen durch den in dem Abgassystem angebrachten Katalysator 11. Zu diesem Zeitpunkt werden gefährliche Komponenten in den Abgasen (z.B. HC, NOx und CO) entfernt. Der Katalysator 17 wird manchmal hinzugefügt, um Komponenten zu entfernen, die von dem Katalysator 11 nicht entfernt werden konnten. Vor und nach den Katalysatoren 11 und 17 können ein nicht gezeigter Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, ein Abgastemperatursensor und ein Sauerstoffsensor angebracht werden, die dazu dienen, verschiedene Arten von Information über die Abgase zu erfassen, so dass die Information an den Betrieb der Steuerungseinheit gegeben werden kann.
2 ist eine schematische Ansicht des geschätzten Zustands in der Verbrennungskammer 22 während eines Hochlastbetriebs des Motors, die ein Verhalten zeigt wie die Zündung des Luft-Kraftstoff- Gemisches in der Verbrennungskammer 22, eine beginnende Verbrennung in der Mitte der Verbrennungskammer und eine Ausbreitung der Flammen in der Verbrennungskammer. Zu diesem Zeitpunkt sind in der Verbrennungskammer noch immer die Abgase des vorhergehenden Zyklus, so genannte Restgase 27, und ein uneinheitlicher Teil 28 einer Luft-Kraftstoff-Gemischverteilung vorhanden. Der innere Teil der sich ausbreitenden Flammen ist ein bereits verbrannter Teil. In diesem inneren Teil sind Temperatur und Druck hoch, wodurch ein nicht verbrannter Teil, in dem Restgase 27 und uneinheitliche Teile 28 des Luft-Kraftstoff-Gemischs vorhanden sind, durch die Flammenoberfläche komprimiert wird. Als eine Folge ist vorstellbar, dass die Temperatur und der Druck der Restgase 27 und das Luft-Kraftstoff-Gemisch des uneinheitlichen Teils 28 plötzlich ansteigen, was zu einer Selbstzündung führt, die ein Klopfen verursacht. Um ein Klopfen zu verhindern ist es notwendig, die Restgase zu reduzieren und weiter das Luft-Kraftstoff-Gemisch einheitlich in der Verbrennungskammer zu versprühen (in der Nähe der Zylinderwand).
In dem in der Konfiguration von 1 gezeigten Direkteinspritzmotor ist es wichtig, die Restgase durch eine Beschleunigung des Spülens von Restgasen aus dem Inneren der Verbrennungskammer 22 während eines Hochlastbetriebs zu reduzieren, und ebenso ein ungleichmäßiges Vorhandensein des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Verbrennungskammer (in der Nähe der Zylinderwand) zu verhindern. Ein für diesen Zweck erforderliches Mittel wird im Folgenden beschrieben.
3 ist eine schematische Ansicht, welche die Motorbrennkammer und den Abgaskanal im Querschnitt zeigt. In dieser Zeichnung, in der ein Großteil des in 1 gezeigten Einlasssystems nicht gezeigt wird, wird die Luft 29 von der Einlassöffnung 9 in die Verbrennungs kammer 22 geleitet. Während der Zeit vom Ende fast des gesamten Auslasshubs bis zum Beginn des Einlasshubs befindet sich der Kolben 23 in einer Position in der Nähe des OTPs, wo das Einlassventil 13 und das Auslassventil 14 leicht geöffnet sind. Das meiste der Abgase wird in dem Auslasshub abgelassen, aber der geringe verbleibende Teil 27 wird zu den Restgasen. Einer der Schlüsselpunkte dieser Erfindung liegt darin, die Spülung der Abgase 27 zu beschleunigen. Ein Konzept dafür ist, die Abgase 27 durch die Verwendung der neu zugeführten frischen Luft 29 herauszublasen. Der Kolben 23 befindet sich wie in 3 gezeigt in einer Position in der Nähe des OTPs, bei dem der Raum in der Verbrennungskammer 22 knapp ist und es deshalb möglich ist, die Abgase 27 unter Verwendung der durch das Einlassventil zugeführten Frischluft 29 abzulassen. Dieser Zustand wird jedoch nur erreicht, wenn der Druck in dem Einlasskanal 9 höher als der Druck in dem Auslasskanal 18 ist. Somit kann das Spülen der Abgase 27 beschleunigt werden durch Herstellen des oben beschriebenen Zustands.
4 zeigt ein Ergebnis von Messungen von Druckveränderungen in dem Einlasskanal 9 und dem Auslasskanal 18 des in 3 gezeigten Motors. Der gemessene Motor ist ein Vierzylindermotor. In 4 zeigt die horizontale Achse die Druckveränderungen basierend auf dem Kurbelwinkel des Zylinders Nr. 1. Ferner werden in dem oberen Teil der Zeichnung die Zylindernummern in dem Auslasshub gezeigt. Der Druck in dem Auslasskanal 18, beeinflusst von einem Pulsieren zwischen den Zylindern, ist wie gezeigt sehr verschieden. Mit dem Beginn des Auslasshubs des Zylinders Nr. 1 werden die Hochdruckabgase aus der Verbrennungskammer des Zylinders Nr. 1 abgelassen, wodurch der Druck in der Auslassleitung 18 erhöht wird. Während des Auslasshubs wird ein relativ hoher Druck beibehalten; und am Ende des Auslasshubs nimmt der Druck ab. Da jedoch der Auslasshub in dem Zylinder Nr. 3 startet, nimmt der Druck in der Auslass leitung 18 zu. Auf der anderen Seite variiert der Druck in der Einlassleitung 9 ebenso mit dem Effekt eines Pulsierens zwischen den Zylindern. Ein durchschnittlicher Wert ist geringer als der Druck in der Auslassleitung 18. In diesem Zustand nimmt der Druck in der Einlassleitung nur während einer kurzen Zeit unmittelbar vor dem Ende des Auslasshubs stärker zu als der Druck in der Auslassleitung. Es ist somit nicht möglich, die Abgase wirksam mit der Frischluft abzulassen.
In dieser Erfindung ist, wie in 3 gezeigt, das Steuerventil 34 in einem Bypasskanal 119 der Turbine 32 eingefügt. Das Bypass-Steuerventil 34 ist eine Konstruktion wie zum Beispiel in 5 gezeigt wird und wird von dem Motor 35 gedreht. Wenn das Steuerventil 34 gedreht wird, wird eine Öffnung zwischen dem Bypasskanal und dem Steuerventil geöffnet, um der Strömung der Abgase zu ermöglichen, die Turbine 32 zu umgehen, wodurch der Druck in dem Auslasskanal 18 verringert wird. Ein Ergebnis der Messung von Druckveränderungen in der Auslassleitung 18 wird in 6 gezeigt. Der Druck in der Auslassleitung 18 kann verringert werden auf einen Wert geringer als der in der Einlassleitung 9; das heißt, der Druck in der Einlassleitung wird größer als der Druck in der Auslassleitung, wodurch ein wirksames Ablassen der Abgase mit der Frischluft ermöglicht wird.
Im Folgenden wird ein weiteres Verfahren zum Spülen in dieser Erfindung beschrieben. Das in 1 gezeigte Einlassventil 13 oder die variablen Mechanismen 7 and 8 des Auslassventils 14 weisen eine Konstruktion auf, wie sie in 7A gezeigt wird. Ein variabler Ventilmechanismus 44 ist eingeschoben zwischen einer Nockenwelle 41 und einem Nockenrad 43, um das ein Zahnriemen 42 gewickelt ist, wobei die Rotationsphase der Nockenwelle 41 und des Zahnriemens 42 verschoben wird durch Bewegen des schraubenförmigen Teils des variablen Ventilmechanismus 44, durch zum Beispiel eine hydraulische Drucksteuerung. 7B zeigt zum Beispiel den Effekt des variablen Mechanismus des Einlassventils. Die Anlaufkurve 48 des Auslassventils zeigt an, dass sich das Auslassventil zu einem Zeitpunkt etwas nach dem oberen Totpunkt (OTP in der Zeichnung) schließt. Die Anlaufkurve 45 des Einlassventils hat einen Standardzeitablauf, wobei sich das Einlassventil kurz vor dem OTP öffnet und kurz nach dem unteren Totpunkt (UTP in der Zeichnung) schließt. Wenn die Phase vorgestellt wird, bewegt sich die Anlaufkurve, wie von der Kurve 46 dargestellt wird, wodurch der Einlassventilöffnungszeitpunkt wesentlich vor den OTP verschoben wird. Auf der anderen Seite verschiebt sich ebenso der Ventilschließzeitpunkt in die Nähe des UTPs. Umgekehrt wird, wenn die Phase verzögert wird, die Anlaufkurve des Einlassventils zur Kurve 47, wobei sich das Einlassventil in der Nähe des OTPs zu öffnen beginnt und zu einem Zeitpunkt beträchtlich nach dem UTP schließt. Der Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventils 13 kann durch Verwendung des in 7A gezeigten variablen Ventilmechanismus verändert werden. 8 zeigt ein Verfahren zum Steuern einer Überlappungsperiode durch die Verwendung des variablen Ventilmechanismus.
Die Einlass- und Auslassventile des Zylinders Nr. 1 werden als Beispiel erläutert. Wenn die Anlaufkurve des Einlassventils 13 von 45 nach 46 geändert wird, ohne die Anlaufkurve 48 des Auslassventils 14 zu ändern, nimmt die Überlappungsperiode, während der sowohl das Auslassventil 14 als auch das Einlassventil 13 offen sind, in die Richtung des Auslasshubs hin zu, wie durch einen Pfeil angedeutet. Während des Auslasshubs des Zylinders Nr. 1 drückt der Kolben 23 die Abgase in den Auslasskanal 18 hinaus; das Einlassventil 13 beginnt sich zu öffnen und die Abgase strömen zu dem Einlasskanal 9 hin, wo ein geringerer Druck herrscht. Somit nimmt der Auslassdruck ab, während der Einlassdruck zunimmt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Zustand hergestellt, dass der Druck in der Einlassleitung größer ist (>) als der Druck in der Auslassleitung. In diesem Fall wird jedoch angenommen, dass die Gasströmung in der Verbrennungskammer wie in 9 gezeigt ist. Da sich das Einlassventil 13 während des Auslasshubs öffnet, strömen die Abgase 27 teilweise zurück zu dem Einlasskanal 9 und stören den Zustrom der Frischluft 29. Im nächsten Moment wird der Druckzustand hergestellt, dass der Druck in der Einlassleitung > als der Druck in der Auslassleitung; folglich beginnen die Abgase in die Richtung des Pfeils in der Zeichnung zu strömen. Da jedoch die Abgase 27, die zurückgeströmt sind, zuerst aus dem Einlasskanal 9 kommen, werden die Abgase wiederum in die Verbrennungskammer 22 eingelassen, wodurch die Restgase gebildet werden. Wenn daher die Phase des Einlassventils 13 in die Richtung des Auslasshubs beschleunigt wird, wird es unmöglich, das Spülen der Restgase zu beschleunigen, was der Schlüsselpunkt dieser Erfindung ist.
Der in 7 gezeigte variable Ventilmechanismus ist auch auf das Auslassventil 14 anwendbar. Die in Richtung des Einlasshubs verzögerte Phase des Auslassventils 14 wird in 10 gezeigt. Die Anlaufkurve des Auslassventils 14 wird von 48 nach 49 verändert, ohne die Anlaufkurve 45 des Einlassventils 13 zu ändern. Gemäß dieser Anordnung beginnt sich das Auslassventil 14 in der Nähe des UTPs zu öffnen und schließt beträchtlich nach dem OTP. Deswegen ist der Druck der Frischluft, die nach dem Beginn des Abwärtshubs des Kolbens zugeführt wird, höher als der Druck des Abgases, dadurch wird ermöglicht, dass eine geringe Menge von sich in der Verbrennungskammer befindlichen Restabgasen wirksam ausgespült werden. Das Verhalten des Inneren der Verbrennungskammer 22 zu diesem Zeitpunkt kann schematisch dargestellt werden, wie in 11 gezeigt. Da das Auslassventil 14 bis nach dem OTP offen bleibt, wird angenommen, dass die Abgase 27 von der Frischluft 29 hinausge drückt werden, die durch den Einlasskanal 9 zugeführt wird, wodurch eine vollständige Spülung stattfindet.
Ein weiteres Beispiel wird durch die Verwendung des Motorsystems mit einem externen AGR(Abgasrückführung)-Kanal erläutert. 12 zeigt die Konfiguration des Motorsystems, das mit einem externen AGR-Kanal 36 und einem AGR-Steuerventil 37 vorgesehen ist. Wenn der Motor unter einer Hochlastbedingung arbeitet, wird er von dem Turbolader aufgeladen; deswegen nimmt der Druck des in der Einlassleitung angebrachten Kollektors 5 manchmal mehr zu als der Druck in der Auslassleitung 18. Nur die Verbindung des AGR-Kanals 36 kann den AGR nicht wirksam betreiben, um die Abgase von der Abgasseite zu der Einlassseite zurückzuführen. Deswegen wird das wie in 13 gezeigte AGR-Steuerventil verwendet. Der AGR-Kanal 36a ist mit dem Auslasskanal 18 verbunden, während 36b mit dem Kollektor 5 auf der Einlassseite verbunden ist. Die Konfiguration des AGR-Steuerventils 37 ist die eines Reed/Blatt-Ventils. Wenn der Einlassdruck höher ist als der Auslassdruck, ist das Reed-Ventil fest auf einer Halterung 39 befestigt und befindet sich in einer geschlossenen Position. Auf der anderen Seite, wenn der Auslassdruck höher als der Einlassdruck ist, öffnet sich das Reed-Ventil 38, damit die Abgase auf die Einlassseite strömen können, wodurch eine AGR ermöglicht wird. Das Reed-Ventil-artige EGR-Steuerventil kann arbeiten, ohne einen externen Antriebsmechanismus zu erfordern. Ferner kann, da das Reed-Ventil gemäß einer in 4 gezeigten Druck-Pulsierung in der Auslassleitung arbeitet, der Druck der Auslassleitung als Folge verändert werden, wie in 6 gezeigt, das heißt, er kann verringert werden, um das Spülen des Inneren der Verbrennungskammer wirksam zu beschleunigen.
Ferner wird ein weiteres Beispiel erläutert, das auf ein Motorsystem mit einem luftunterstützten Kraftstoffeinspritzvorrichtung angewen det wird. 14 zeigt die Konfiguration der luftunterstützten Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Der durch den Luftzufuhranschluss 51 gelieferte Kraftstoff wird vorübergehend in einer Mischkammer 53 gehalten, in welcher der Kraftstoff mit der durch den Luftzufuhranschluss 52 gelieferten Luft gemischt wird und dann an dem vorderen Teil 54 der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in die Verbrennungskammer eingespritzt wird. Wenn die luftunterstützte Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendet wird, ist die zur Kraftstoffeinspritzung verwendete Luft zum Spülen der Restgase verwendbar.
15 zeigt davon eine Zeitdarstellung. Während der Zeit, wenn das Auslassventil in der Nähe des OTPs nach dem Ende des Auslasshubs noch offen ist, wird zuerst nur die Luft in die Kraftstoffkammer eingepresst. Der Druck der eingepressten Luft zu diesem Zeitpunkt, ungefähr 0.6 bis 0.5 Mpa, hat eine ausreichende Wirkung, um die Abgase von ungefähr 0.1 Mpa zu spülen. Das Verhalten des Inneren der Verbrennungskammer zu diesem Zeitpunkt wird schematisch in 16 gezeigt. Danach wird gemäß dem normalen Kraftstoffeinspritzsystem, das heißt, wenn der Kraftstoff in die Mischkammer 53 ungefähr bei dem UTP eingespritzt wird und dann die Luft in die Mischkammer 53 zu einer beliebigen Zeit in den Kompressionshub eingepresst wird, die Luft mit dem in der Mischkammer 53 gehaltenen Kraftstoff gemischt, wobei das Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Brennkammer eingespritzt wird.
Im Folgenden wird der zweite Schlüsselpunkt dieser Erfindung erläutert, das heißt das Verfahren zum Bilden des Luft-Kraftstoff-Gemisches, gemäß dem kein Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Verbrennungskammer (in der Nähe der Zylinderwand) verbleibt. Diese Erfindung ist, wenn hinsichtlich Motordrehzahl und Drehmoment ausgedrückt, wie in 17 gezeigt, in dem Bereich 60 wirksam, wo ein Volllast-Drehmoment erreicht wird und ebenso in dem Bereich 61 mit vergleichsweise hoher Last in dem geschichteten Verbrennungsbereich. In dem Bereich 60 ist ein hohes Drehmoment erforderlich und deswegen wird viel Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingespritzt. Wenn viel Kraftstoff eingespritzt wird, wird der Kraftstoff nicht richtig mit der in die Verbrennungskammer eingeführten Luft vermischt, was zu einer Bildung sowohl des Bereichs einer gleichmäßigen Mischung mit einem vorgesehenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis als auch des Bereichs einer ungleichmäßigen Mischung führt. In dem Bereich eines ungleichmäßigen Gemisches nimmt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wahrscheinlich zu oder ab; deswegen tritt leicht eine spontane Zündung (Selbstzündung) oder ein Klopfen auf. Um dies zu verhindern, wird eine Einspritzung getrennt in dem Einlasshub und in dem Kompressionshub bewirkt, wie in 18 gezeigt wird. In diesem Fall wird die Menge des auf einmal einzuspritzenden Luft-Kraftstoff-Gemisches verringert. Dadurch wird in dem Einlasshub die Mischung des Kraftstoffs mit der zugeführten Luft verbessert und es wird ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch in der gesamten Verbrennungskammer gebildet. Danach wird in dem Kompressionshub der verbleibende Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingespritzt, wodurch ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch um eine Zündkerze herum gebildet wird. Bei einem derartigen Zustand des Luft-Kraftstoff-Gemisches wird, wenn sich Flammen bei der Zündung eines fetten Luft-Kraftstoff-Gemisches ausbreiten, kein Klopfen auftreten, da es keinen Ort gibt, an dem eine überschüssige Menge an Kraftstoff (fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch) in der Verbrennungskammer (in der Nähe der Zylinderwand) vorhanden ist, und darüber hinaus wird das Spülen des Restgases, was einer der Schlüsselpunkte dieser Erfindung ist, gründlich durchgeführt. Auch könnte sich in dem Fall einer einmaligen Einspritzung der Kraftstoff an der Oberfläche des Kolbens und der Zylinderwand festsetzen, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches führt, was als der Grund für ein Auftreten von Rauch betrachtet wird. 19 ist eine Darstellung, die eine Beziehung der Motordrehzahl und von Rauch hinsichtlich eines angezeigten mittleren Arbeitsdrucks (indicated mean effective pressure) zeigt. Dieses Diagramm zeigt ein Ergebnis von Messungen der Menge an austretendem Rauch, wenn das Motordrehmoment bei einer konstanten Motordrehzahl erhöht wird. In dem Fall einer einmalen Einspritzung nimmt die Menge von Rauch plötzlich zu, wenn der IMEP (indicated mean effective pressure) ungefähr 6.5 Bar passiert. Ferner sollte angemerkt werden, dass das maximale Drehmoment aufgrund des Auftretens von Klopfen auf ungefähr 7 Bar begrenzt ist. In dem Fall einer doppelten Einspritzung tritt jedoch kaum ein Klopfen auf. Somit wird der Effekt des Drehmoments durch Aufladen stark verbessert; und das maximale Drehmoment wurde wesentlich verbessert auf ungefähr 9.5 Bar, während keine Tendenz einer Zunahme von Rauch zu erkennen ist.
Im Folgenden wird das Verfahren erläutert zum Bilden des Luft-Kraftstoff-Gemisches derart, dass in dem Bereich 61 einer relativ hohen Last in dem geschichteten Verbrennungsbereich das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Verbrennungskammer (in der Nähe der Zylinderwand) nicht ungleichmäßig verteilt wird. Dieser Bereich ist der geschichtete Verbrennungsbereich; deswegen wird eine Kraftstoffeinspritzung in der letzten Hälfte des Kompressionshubs bewirkt. Aufgrund einer relativ hohen Last in dem geschichteten Verbrennungsbereich nimmt jedoch die Menge einer Kraftstoffeinspritzung zu; in einem derartigen Zustand tritt wahrscheinlich Rauch auf. In diesem Bereich ist es deswegen wirksam, eine zweifache Einspritzung (als zweifache Einspritzung nahe zusammen bezeichnet) in kurzem Abstand während der letzten Hälfte des Kompressionshubs durchzuführen. 20 zeigt schematisch den Zustand des t, das heisst das Verfahren zum Bilden des obei das bei UTPLuft-Kraftstoff-Gemisches in der Verbrennungskammer 22. Aufgrund der geschichteten Verbrennung ist nur Luft in einem großen Teil des Inneren der Verbren nungskammer 22 vorhanden und der Kraftstoff wird in der letzten Hälfte des Kompressionshubs eingespritzt, um sich so um die Zündkerze zu sammeln. Der Kraftstoff, der zuerst eingespritzt wird, wird eingespritzt, wenn der Druck der Verbrennungskammer relativ niedrig ist und verteilt sich in die Nähe der Mitte der Verbrennungskammer, um dadurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch 15a zu bilden. Bei der zweiten Einspritzung ist der Druck der Verbrennungskammer höher als bei der ersten Einspritzung. Der eingespritzte Kraftstoff verteilt sich folglich nicht weit in der Verbrennungskammer, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch 15b um die Zündkerze gebildet wird. 21 ist eine schematische Ansicht, welche die Motorbrennkammer von der Seite zeigt. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch 15b, das von dem durch die Bildung des Luft-Kraftstoff-Gemisches 15a erzeugten Luftstrom geführt wird, wird in die Nähe der Zündkerze 12 getragen. Durch Bilden der fetten und mageren Teile des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Mitte der Verbrennungskammer ist es möglich, die ungleichmäßige Bildung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Nähe der Zylinderwand zu vermeiden, was zu einem Klopfen führt, und auch das Auftreten von Rauch zu unterdrücken aufgrund einer besseren Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches als bei einer einzelnen Einspritzung.
Weiter wird ein Verfahren zum Bilden eines ähnlichen Mechanismus zum Erzeugen des Luft-Kraftstoff-Gemisches durch eine andere Technik erläutert. 23 zeigt die Form von Kraftstoff-Sprühnebel 15, der von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 eingespritzt wird. Obwohl nicht dargestellt, wird der unter Druck gesetzte Kraftstoff in die Kraftstofflieferöffnung 51 der Kraftstoffeinspritzvorrichtung geliefert; und wenn das Ventilöffnungssignal auf einen Anschluss 55 geliefert wird, wird der Kraftstoff-Sprühnebel 15 durch die Form des vorderen Endes einer Düse 54 der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 gebildet. Die Form des Kraftstoff-Sprühnebels zeigt eine hohe Durch dringung, wie der Sprühnebel 15c, oder eine lange Eindringkomponente, und eine kurze Eindringkomponente auf der gegenüberliegenden Seite. Es ist aus dem Schnitt A-A zu erkennen, dass ein Teil des Sprühnebels 15d teilweise unterbrochen ist und der Teil 15c des Sprühnebels eine hohe Sprühnebelkonzentration aufweist. Es wurde festgestellt, dass, wenn die Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem derartigen Merkmal in dem Motor installiert ist, eine Verbrennungsleistung verbessert werden kann, indem die Sprühnebelkomponente 15c hin zu der Zündkerze gerichtet wird.
Der Vorgang zur Bildung des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu diesem Zeitpunkt wird unter Bezugnahme auf die 24 bis 26 erläutert. 24 zeigt den Zeitpunkt des Starts einer Kraftstoffeinspritzung im letzten Abschnitt des Kompressionshubs. Der von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 eingespritzte Kraftstoff-Sprühnebel 15 wird geteilt in eine Komponente 15c, die tief eindringt, und eine Komponente 15d, die gering eindringt, die entsprechend zu der Zündkerze und zu dem Kolben hin eingespritzt werden. In der oberen schematischen Ansicht der Verbrennungskammer 22 geht die Komponente 15c mit tiefer Sprühnebel-Eindringung über die Mitte der Verbrennungskammer hinaus, während die Komponente 15d mit geringer Sprühnebel-Eindringung in der Nähe der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 19 treibt.
25 zeigt einen Zeitpunkt etwas vor dem Zündzeitpunkt, wenn die Position des Kraftstoff-Sprühnebels 15c mit tiefer Eindringung etwas zu der Auslassseite hin verschoben ist. Der Kraftstoff-Sprühnebel 15d mit geringer Eindringung verdampft allmählich und bildet etwa da ein Gemisch. Von der schnellen Bewegung des Kraftstoff-Sprühnebels 15c wird ein Luftstrom in der Verbrennungskammer gebildet, wie von dem Pfeil dargestellt wird. Das um den Sprühnebel 15d herum gebildete Luft-Kraftstoff-Gemisch wird von dem Luftstrom zu der Zündkerze hin gezogen.
26 zeigt den Zündzeitpunkt. Der Kraftstoff-Sprühnebel 15c mit tiefer Eindringung wird in der Nähe des Auslassventils 14 verdampft, um so das Luft-Kraftstoff-Gemisch 15a zu bilden, während eine verdampfte Komponente des Kraftstoff-Sprühnebels 15d mit geringer Eindringung von dem Luftstrom in die Verbrennungskammer getragen wird und das Luft-Kraftstoff-Gemisch 15b um die Zündkerze herum bildet. Das Verfahren zum Bilden des Luft-Kraftstoff-Gemisches auf diese Weise wird als Sprühnebel-Zuführung bezeichnet. Gemäß der Sprühnebel-Zuführung wird der Kraftstoff daran gehindert, sich an einer Stelle zu konzentrieren, um dadurch eine Rauchentstehung zu verhindern, durch Einspritzen des Kraftstoff-Sprühnebels mit tiefer Eindringung hin zu der Zündkerze und Einspritzen des Kraftstoff-Sprühnebels mit geringer Eindringung hin zu dem Kolben.
27 zeigt ein Ergebnis einer einzelnen Einspritzung der Sprühnebel-Zuführung und einer oben beschriebenen doppelten Einspritzung. Der Ausstoß von Rauch wird gesteuert, bis das Motordrehmoment, angezeigt von dem angezeigten mittleren Arbeitsdruck, ungefähr 9 Bar erreicht. Die spezifische Kraftstoffverbrauchskurve hat eine ähnliche Tendenz, woraus zu erkennen ist, dass die Mechanismen zum Bilden des Luft-Kraftstoff-Gemisches durch sowohl die zweifache Einspritzung als auch die Sprühnebel-Zuführung eine ähnliche Rolle innehaben.
28 zeigt den Vorteil dieser Erfindung. Ein herkömmlicher Motor mit Turbolader arbeitet im Wesentlichen, um eine homogene Verbrennung unabhängig von der Größe des Drehmoments durchzuführen, das der Motor entwickelt, und steuert das Luft-Kraftstoff- Verhältnis auf 14.7, um das Gemisch während eines Hochlastbetriebs aufgrund des oben beschriebenen Grunds anzureichern. In dem Direkteinspritzmotor mit Turbolader dieser Erfindung kann hingegen der spezifische Kraftstoffverbrauch durch eine geschichtete Verbrennung bei ungefähr dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 40 in einem Bereich eines niedrigen Motordrehmoments reduziert werden, und in einem Hochlastbereich, wo die Verbrennung zu einer homogenen Verbrennung wechselt, kann der Motor ohne Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Gemisches betrieben werden durch die Beschleunigung des Spülens von Restgasen und Steuerung des Luft-Kraftstoff-Gemisches. In dem Hochlastbereich ist es möglich, den spezifischen Kraftstoffverbrauch um ungefähr 15% zu senken.
29 zeigt ein weiteres Beispiel. In letzter Zeit wurden die Abgasbestimmungen sowie die Bestimmungen zum Kraftstoffverbrauch verstärkt. Um diese Bestimmungen zu erfüllen, ist es wichtig, den Maximalwert der Säuberungsleistung des Katalysators 11 zu erzielen. Aus diesem Grund ist ein Temperatursensor 61 an der stromaufwärtigen Seite des Katalysators 11 angebracht, damit der Motor und der Turbolader gesteuert werden können, um die maximale Säuberungseffizienz des Katalysators auf der Basis der Temperatur von in den Katalysator strömenden Abgasen zu erreichen. 30 zeigt eine Beziehung zwischen der Einlasstemperatur und der Säuberungseffizienz des Katalysators 11. Im Allgemeinen wird der Katalysator in dem optimalen Temperaturbereich zum Säubern der Abgase verwendet; die Säuberungseffizienz nimmt ab, wenn die Temperatur höher oder niedriger als die optimale Temperatur ist. In der Konfiguration des vorliegenden Beispiels ist es erforderlich, in dem Fall einer geringen Menge von Abgasen und einer niedrigen Temperatur der Abgase, die Wärmeenergie der Abgase wirksam an den Katalysator zu übertragen. Wenn die Abgase durch die Turbine 32 gehen, wird die Wärme der Abgase von einem Turbinengehäuse und einem Laufrad entzo gen. Die Temperatur nimmt deswegen ab, bevor die Abgase an dem Katalysator ankommen. Das Bypasssteuerventil 34 wird geöffnet, um die Abgase dem Katalysator zuzuführen, ohne durch die Turbine 32 zu müssen, um eine verschwenderische Ableitung von Wärme an die Turbine zu verhindern, wodurch die Temperatur des Katalysators steigen kann. Auf der anderen Seite steigt die Temperatur der Abgase bei einer Zunahme der Motorlast; wenn die Möglichkeit auftritt, dass die Temperatur des Katalysators 11 den optimalen Temperaturbereich übersteigt, wird das Bypasssteuerventil 34 geschlossen, so dass alle Abgase durch die Turbine 32 gehen und die Aufnahme der Wärme der Abgase durch die Turbine ermöglichen, um dadurch die Temperatur des Katalysators zu steuern. Folglich ist es möglich, die Menge von Abgasen, die zu der Turbine 32 und dem Katalysator 11 strömen, durch Steuern des Bypassventils zu steuern, wie oben angeführt, und ebenso die Temperatur des Katalysators in dem Bereich einer hohen Säuberungseffizienz zu halten.
Gemäß dieser Erfindung können die Abgase in dem Zylinder schnell gespült werden; somit kann der Abgasdruckanstieg in dem Hochlastbereich des Motors gesteuert werden und es nicht erforderlich, eine Kühlung mit Kraftstoff vorzusehen, wodurch ein Direkteinspritzmotor mit Turbolader mit einer guten Kraftstoffwirtschaftlichkeit erreicht wird.
Ferner kann in dem Bereich einer geschichteten Verbrennung eine Rauchentstehung kontrolliert werden und demgemäß entsteht kein Klopfen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors mit einem Kraftstoffeinspritzventil (19) zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in eine Motorbrennkammer (22); einem Einlassventil (13) und einem Auslassventil (14), die an einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung der Motorbrennkammer (22) angeordnet sind; einem variablen Ventilmechanismus (7,8) zum Steuern der Ventil-Öffnungs/Schließphase des Einlass- (13) oder Auslassventils (14); einer Turbine (32), die in einem Auslasskanal (18) des Motors (1) angeordnet ist und mit den Abgasen gedreht wird; einem Kompressor (31), der in einem Einlasskanal (4) des Motors (1) angeordnet ist und von der Drehkraft der Turbine (32) gedreht wird; einem Bypasskanal (119) zum Umgehen der Turbine (32) und einem Steuerventil (34) zum Regulieren der Strömungsrate des Abgases, das in den Bypasskanal (119) strömt, gekennzeichnet durch Steuern, während eines Hochlastbetriebs des Motors, des Drucks in dem Einlasskanal (9) auf einen höheren Druck als der Druck in dem Auslasskanal (18), wenn ein entsprechender Motorzylinder in einem Zustand zwischen einem Auslasshub und einem Einlasshub nahe dem OTP ist, wobei das Einlassventil (13) und das Auslassventil (14) leicht geöffnet sind, um das Spülen des Auslassgases (27) durch ein Austragen des Auslassgases (27) durch die Verwendung von Frischluft (29) zu beschleunigen, die durch das Einlassventil (13) hineingezogen wird, wobei das Steuerventil (34) die Strömung der Auslassgase zur Umgehung der Turbine (32) erlaubt, wodurch der Druck im Auslasskanal (18) vermindert wird.
Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors nach Anspruch 1, wobei die Spülungsbeschleunigungssteuerung der Auslassgase (27) durch ein Steuern des Öffnungsbetrags eines Bypasssteuerventils (34) erzielt wird, das in einem Bypasskanal (119) angeordnet ist, der die Turbine (32) umgeht, so dass der Auslasskanaldruck niedriger wird als der Einlasskanaldruck.
Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors nach Anspruch 1, wobei die Spülbeschleunigungssteuerung des Auslassgases (27) durch ein Steuern des variablen Ventilmechanismus (7, 8) erzielt wird, so dass eine Überlappungsperiode verlängert wird, während der die Einlass- und Auslassventile (13, 14) gleichzeitig offen sind.
Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Spülbeschleunigungssteuerung der Auslassgase (27) durch ein Einspritzen von Luft in die Brennkammer (22) von einem luftunterstützten Kraftstoffeinspritzventil erzielt wird, das als Kraftstoffeinspritzventil (19) verwendet wird, so dass der Brennkammerdruck höher wird als der Auslasskanaldruck.
Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Indicated Lean Effective Pressure (ein Explosionsdruck P in Megapascal erzeugt in der Brennkammer (22) geteilt durch die Kubikmeter des Volumens der Brennkammer (22)) auf 9,5 bar gesteuert wird, so dass die Function Smoke Number (FNS) 0,5 oder weniger wird.
Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der spezifische Kraftstoffverbrauch während einer hohen Last, bei der der Indicated Lean Effective Pressure 12 bar wird, auf ±5% gesteuert wird, verglichen mit dem spezifischen Kraftstoffverbrauch unter einer mittleren Last, bei der der Indicated Mean Effective Pressure 8 bar wird.
Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (19) den Kraftstoff zweimal während dem Einlasshub und dem Verdichtungshub einspritzt.
Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (19) den Kraftstoffsprühstrahl einspritzt und der Kraftstoffsprühstrahl variierende Sprühdurchdringungskomponenten während dem Verdichtungshub enthält.
Direkteinspritzmotor mit einem Kraftstoffeinspritzventil (19) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in eine Motorbrennkammer (22); einem Einlassventil (13) und einem Auslassventil (14), die an einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung der Motorbrennkammer (22) angeordnet sind; einem variablen Ventilmechanismus (7, 8), zum Steuern der Ventil-Öffnungs/Schließphase des Einlass- (13) oder Auslassventils (14); einer Turbine (32), die in einem Auslasskanal (18) des Motors (1) angeordnet ist und mit den Auslassgasen gedreht wird; einem Kompressor (31), der in einem Einlasskanal (4) des Motors (1) angeordnet ist und mit der Drehkraft der Turbine gedreht wird; und einem Steuergerät zum Ausgeben von Steuersignalen; dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät eine Spülbeschleunigungssteuerung des Auslassgases (27) dadurch durchführt, dass während einem Hochlastbetrieb des Motors der Druck in dem Einlasskanal (9) höher eingestellt wird als der Druck in dem Auslasskanal (18), wenn ein entsprechender Motorzylinder sich in einem Zustand zwischen einem Auslasshub und einem Einlasshub nahe dem OTP befindet, wobei das Einlassventil (13) und das Auslassventil (14) leicht geöffnet sind, um das Spülen des Auslassgases (27) durch ein Austragen des Auslassgases (27) durch die Verwendung von Frischluft (29) zu beschleunigen, die durch das Einlassventil (13) hineingezogen wird, wobei das Steuerventil (34) die Strömung der Auslassgase zur Umgehung der Turbine (32) erlaubt, wodurch der Druck im Auslasskanal (18) vermindert wird.
Direkteinspritzmotor nach Anspruch 9, wobei die Spülbeschleunigungssteuerung der Auslassgase (27) durch ein Steuern des Öffnungsbetrags eines Bypasssteuerventils (34) erzielt wird, das in einem Bypasskanal (119) angeordnet ist, der die Turbine (32) umgeht, so dass der Auslasskanaldruck niedriger wird als der Einlasskanaldruck.
Direkteinspritzmotor nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Spülbeschleunigungssteuerung der Auslassgase (27) erzielt wird durch ein Steuern des variablen Ventilmechanismus (7, 8), so dass eine Überlappungsperiode verlängert wird, während der die Einlass- und Auslassventile (13, 14) gleichzeitig offen sind.
Direkteinspritzmotoren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Spülbeschleunigungssteuerung der Auslassgase (27) durch ein Einspritzen von Luft in die Brennkammer (22) durch ein luftunterstütztes Kraftstoffeinspritzventil erreicht wird, das als das Kraftstoffeinspritzventil (19) verwendet wird, so dass der Brennkammerdruck höher wird als der Auslasskanaldruck.
Direkteinspritzmotor nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Indicated Mean Effective Pressure (ein Explosionsdruck P in Megapascal, erzeugt in der Brennkammer (22) geteilt durch die Kubikmeter des Volumens der Brennkammer (22)) auf etwa 9,5 bar gesteuert wird, so dass die Function Smoke Number (FNS) 0,5 oder weniger wird.
Direkteinspritzmotor nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der spezifische Kraftstoffverbrauch bei einer hohen Last, bei der der Indicated Mean Effective Pressure 12 bar wird auf ±5% gesteuert wird, verglichen mit dem spezifischen Kraftstoffverbrauch unter einer mittleren Last, bei der der Indicated Mean Effective Pressure 8 bar wird.
Direkteinspritzmotor nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (19) den Kraftstoff zweimal während dem Einlasshub und dem Verdichtungshub einspritzt.
Direkteinspritzmotor nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (19) den Kraftstoffsprühstrahl einspritzt und der Kraftstoffsprühstrahl variierende Sprühdurchdringungskomponenten während dem Verdichtungshub enthält.