DE60024020T2

DE60024020T2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60024020T2
Application number: DE60024020T
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Hino-shi Shimoda; Toshiaki Hino-shi Kakegawa; Haruyuki Hino-shi Yokota
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2020-09-09
Also published as: DE60024020D1; US6338245B1; EP1085176B1; EP1085176A2; EP1085176A3; JP3549779B2; JP2001082233A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine.
In den vergangenen Jahren wurden immer strengere Vorschriften für die Regelung der Abgase von Kraftfahrzeugen unter den starken Forderungen zur Erhaltung besserer Umweltbedingungen umgesetzt. Insbesondere für Dieselfahrzeuge wurden strenge Vorschriften für NO_x-(Stickoxide) und Russ-(Partikelmaterie)Emissionen im Abgas erlassen.
Herkömmlicherweise werden NO_x- und Russ-Emissionen im Abgas zum Beispiel durch ein mageres, vorgemischtes Verdichtungszündungsverfahren verringert, in welchem der Zeitpunkt der Treibstoffeinspritzung früher eingestellt ist, um die Zündverzögerung zu verlängern. Gemäß diesem Verfahren wird der Treibstoff bei niedriger Temperatur verbrannt, da er in ein mageres Gasgemisch nach Beendigung seiner Einspritzung verwandelt ist. Folglich können die NO_x- und Russ-Emissionen im Abgas auf praktisch null verringert werden.
Als ein weiterer herkömmlicher Weg, um NO_x- und Russ-Emissionen im Abgas zu verringern, ist ein AGR (Abgasrückführung) System bekannt, in welchem das Motorabgas teilweise als AGR-Gas gemeinsam mit der Ansaugluft in den Motor rückgeführt wird. Das AGR-Gas weist eine relativ hohe spezifische Wärme auf und kann eine große Menge an Wärme absorbieren. Daraus ergibt sich, dass je mehr die Menge an AGR-Gas erhöht wird, d.i. je mehr das AGR-Verhältnis (Menge an AGR-Gas/(Menge an AGR-Gas + Menge an Ansaugluft)) erhöht wird, desto stärker wird die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer gesenkt und desto stärker wird die Menge an erzeugtem NO_x verringert.
Ein weiterer herkömmlicher Weg, um NO_x-Emission im Abgas zu unterdrücken, besteht darin, einen NO_x-Katalysator zu verwenden, welcher die Zersetzung von NO_x in harmloses Gas fördert.
Partikelmaterie im Abgas wird herkömmlicherweise durch Einsatz einer Dieselpartikelfiltereinheit mit einem darin befindlichen Partikelfilter (DPF) oder einer Dieselpartikelfiltereinheit mit NO₂-Regeneration (katalytischer DPF) verringert.
Das oben erwähnte magere, vorgemischte Verdichtungszündungsverfahren kann NO_x- und Russ-Emissionen bei niedriger bis mittlerer Motorleistung fast vollständig ausschalten; die Menge an HC wird jedoch auf Grund der Treibstoffeinspritzung bei einem früheren Zeitpunkt steigen. Darüber hinaus führt frühere Zündung nachteiligerweise zu höherem Treibstoffverbrauch. Des Weiteren kann das Verfahren kaum einen stabilen Betrieb bei hoher Motorleistung auf Grund von möglicher nicht normaler Verbrennung wie Klopfen bereitstellen.
Im Falle des AGR-Systems wird die NO_x-Emmission verringert, wenn das AGR-Verhältnis erhöht wird; wenn jedoch das AGR-Verhältnis über eine gewisse Grenze erhöht wird, steigt die Menge des erzeugten Rußes sprunghaft an.
Im Falle, dass ein NO_x-Katalysator verwendet wird, kann ein solcher NO_x-Katalysator seine Funktion nicht völlig erfüllen und leistet daher für den praktischen Einsatz nicht genug.
Der Einsatz von DPF oder katalytischem DPF kann zum Entfernen von Partikelmaterie beitragen; aber er hat überhaupt nichts mit der Verringerung der NO_x-Emission zu tun.
Um die obigen und andere Probleme zu lösen, ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brennkraftmaschine wie einen Dieselmotor bereitzustellen, welcher verlässlich NO_x- und Partikelmaterien-Emissionen in Motorabgasen über den gesamten Leistungsbereich des Motorbetriebs von niedriger bis hoher Leistung verringern kann und welcher auch den Treibstoffverbrauch verringern kann.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung umfasst ein Mittel zum Senken der Verbrennungstemperatur und ein Mittel zum Vergrößern der Zündungsverzögerung, wobei beide Mittel bei niedriger bis mittlerer Motorleistung eingesetzt werden, so dass die Verbrennung des Treibstoffs im Motor bei einer Temperatur stattfindet, die niedriger als jene ist, bei welcher NO_x erzeugt wird, und bei einer Äquivalenzrate, die geringer als jene ist, bei welcher Russ erzeugt wird, wobei das Mittel zum Senken der Verbrennungstemperatur bei mittlerer bis hoher Motorleistung eingesetzt wird, so dass die Verbrennung des Treibstoffes im Motor bei einer Temperatur stattfindet, die niedriger als jene ist, bei welcher NO_x oder Russ erzeugt wird.
Die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung kann weiter einen Abgasrückführungsdurchgang zur Verbindung mit einem Abgaskanal unterhalb einer Turbine eines Turboladers mit einem Ansaugkanal oberhalb des Verdichters des Turboladers und ein Mittel zum Entfernen von Partikelmaterie, welches auf einem Abschnitt des Abgasrohrs oberhalb einer Verbindung des Abgaskanal mit dem Abgasrückführungsdurchgang bereitgestellt ist, umfassen.
Das Mittel zum Vergrößern der Zündungsverzögerung kann ein Mittel zur Zeitsteuerung der Treibstoffeinspritzung umfassen, um eine frühere Zeitsteuerung der Treibstoffeinspritzung einzustellen.
Das Mittel zum Senken der Verbrennungstemperatur kann Mittel zum Rückführen des Abgases zum Motor über den Abgasrückführungsdurchgang umfassen.
Das Rückführungsverhältnis des Abgases, das zum Motor über den Abgasrückführungsdurchgang rückgeführt werden soll, kann auf mehr als ungefähr 40% bei niedriger bis mittlerer Motorleistung, auf mehr als ungefähr 50% bei mittlerer bis hoher Motorleistung und auf weniger als ungefähr 50% bei hoher Motorleistung eingestellt sein.
Die Brennkraftmaschine der Erfindung kann des Weiteren Mittel zum Kühlen des Abgases im Abgasrückführungsdurchgang umfassen.
Wenn die Motorleistung erhöht wird, kann der Zeitpunkt, um das Einlassventil zum Durchführen des Ansaugens zum Motor zu schließen, durch Steuermittel zum Anpassen des Schließzeitpunkts verzögert werden.
Daher ist gemäß der Erfindung sichergestellt, dass NO_x- und Russ-Emissionen vom Motor über den gesamten Leistungsbereich des Motorbetriebs von niedriger zu hoher Leistung verringert werden können und dass der Treibstoffverbrauch ebenfalls verringert werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems, welches eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung zeigt;
2 ist eine graphische Darstellung, welche ein Beispiel einer Abbildung für die Einspritzmenge einer Einspritzdüse zeigt, welche in eine elektronische Steuereinheit, gezeigt in 1, eingegeben wird;
3 ist eine graphische Darstellung, welche ein Beispiel einer Abbildung für die Einspritzzeitsteuerung der Einspritzdüse zeigt, welche in die elektronische Steuereinheit, gezeigt in 1, eingegeben wird;
4 ist eine graphische Darstellung, welche ein Beispiel einer Abbildung für das Überschussluftverhältnis zeigt, welches in die elektronische Steuereinheit, gezeigt in 1, eingegeben wird;
5 ist eine graphische Darstellung, welche ein Beispiel einer Abbildung für das AGR-Verhältnis zeigt, welches in die elektronische Steuereinheit, gezeigt in 1, eingegeben wird;
6 ist eine graphische Darstellung, welche ein Beispiel einer Abbildung für die Ansaugventilöffnungszeitsteuerung zeigt, welche in die elektronische Steuereinheit, gezeigt in 1, eingegeben wird;
7 ist eine graphische Darstellung, welche ein Beispiel einer Abbildung für die Ansaugventilverschlusszeitsteuerung zeigt, welche in die elektronische Steuereinheit, gezeigt in 1, eingegeben wird;
8 ist ein Flussdiagramm, welches die Steuerung verschiedener Vorrichtungen und Einheiten gemäß dem Blockdiagramm des Steuersystems, gezeigt in 1, zeigt;
9 ist eine graphische Darstellung, welche die Treibstoffeinspritzzeitsteuerung bei niedriger Motorleistung zeigt;
10 ist eine graphische Darstellung, welche das Wärmeerzeugungsverhältnis bei niedriger Motorleistung zeigt;
11 ist eine graphische Darstellung, welche den Zylinderinnendruck bei niedriger Motorleistung zeigt;
12 ist eine graphische Darstellung, welche die Treibstoffeinspritzzeitsteuerung bei mittlerer Motorleistung zeigt;
13 ist eine graphische Darstellung, welche das Wärmeerzeugungsverhältnis bei mittlerer Motorleistung zeigt;
14 ist eine graphische Darstellung, welche den Zylinderinnendruck bei mittlerer Motorleistung zeigt;
15 ist eine graphische Darstellung, welche die Treibstoffeinspritzzeitsteuerung bei hoher Motorleistung zeigt;
16 ist eine graphische Darstellung, welche das Wärmeerzeugungsverhältnis bei hoher Motorleistung zeigt;
17 ist eine graphische Darstellung, welche den Zylinderinnendruck bei hoher Motorleistung zeigt;
18 ist eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen der Treibstoffeinspritzzeitsteuerung auf der einen Seite und dem Treibstoffverbrauch und der Menge an Russ auf der anderen Seite zeigt;
19 ist eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen absoluter Temperatur und der Äquivalenzrate des Ansauggases in einer Verbrennungskammer in einem Fall, wo die Verbrennung in der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung gesteuert ist, zeigt;
20 ist eine graphische Darstellung, welche das Öffnen und Schließen der Ausstoß- und Ansaugventile bei niedriger Motordrehzahl und niedriger Motorleistung zeigt;
21 ist eine graphische Darstellung, welche das Öffnen und Schließen der Ausstoß- und Ansaugventile bei niedriger Motordrehzahl und hoher Motorleistung zeigt; und
22 ist eine graphische Darstellung, welche das Öffnen und Schließen der Ausstoß- und Ansaugventile bei hoher Motordrehzahl und hoher Motorleistung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird in Verbindung mit den angeschlossenen Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, weist ein Motorblock 1 eine Seite auf, mit welcher ein Ansaugkrümmer 2 zum Zuführen angesaugter Luft zu jedem Zylinder verbunden ist. Der Block 1 weist die andere Seite auf, mit welcher ein Auspuffkrümmer 3 zum Aufnehmen des Abgases von jedem der Zylinder verbunden ist.
Am einen Ende des Ansaugkrümmers 2 ist ein Ansaugkanal 5 angebracht. Der Ansaugkanal 5 besitzt einen Zwischenkühler 4 an seinem Zwischenabschnitt und ist an seinem anderen Ende mit einem Verdichter 6 eines Turboladers verbunden. Der Auspuffkrümmer 3 ist an seiner unteren Seite in einer Richtung des Abgasflusses mit einer Turbine 7 des Turboladers verbunden.
Der Verdichter 6 ist an seiner Eingangsseite durch einen Ansaugkanal 9 mit einer Drosselklappe 8 verbunden, die darin eingebaut ist. Die Turbine 7 ist an ihrer Ausstoßseite mit einem Auspuffkanal 11 verbunden, welcher in seinem Zwischenabschnitt eine Partikelfiltereinheit 10 aufweist, wie einen DPF oder einen katalytischen DPF.
Der Auspuffkanal 11 ist an seinem Abschnitt unterhalb der Partikelfiltereinheit 10 in Richtung des Abgasflusses mittels eines AGR-Kanals 13, welcher einen AGR-Kühler 12 in seinem Zwischenabschnitt aufweist, mit einem Abschnitt des Ansaugkanals 9 unterhalb des Ventils 8 in der Richtung des Ansaugflusses verbunden. Der AGR-Kanal 13 weist in seinem Abschnitt unterhalb des AGR-Kühlers 12 in der Richtung des Abgasflusses (AGR) in der Reihenfolge der Aufzählung ein Drossel- und ein Steuerventil 14 und 15 auf. Das Steuerventil 15 dient dazu, den AGR-Kanal 13 völlig abzuschließen, so dass das AGR-Gas nicht durch den AGR-Kanal 13 fließen kann, wenn kein AGR-Verhältnis eingesteuert ist.
Die Verbindung des AGR-Kanals 13 mit dem Auspuff- und dem Ansaugkanal 11 und 9 besteht, um sicherzustellen, dass eine große Menge an AGR-Gas in den AGR-Kanal 13 unter Verwendung eines AGR-Systems mit einer Unterdruckregelschleife eingeleitet werden kann. Genauer gesagt, Druck (positiver Druck) im AGR-Kanal 13 an der Seite, die mit dem Auspuffkanal 11 verbunden ist, ist höher als der Druck (negativer Druck) im AGR-Kanal 13 an der Seite, die mit dem Ansaugkanal 9 verbunden ist, so dass das Abgas leicht durch den AGR-Kanal 13 fließen kann.
Im Falle eines AGR-Systems mit einer Überdruckschleife ist der AGR-Kanal sowohl mit dem Auspuffkrümmer als auch mit dem Ansaugkrümmer 3 und 2 verbunden, so dass das Abgas vom Auspuffkrümmer 3 zum Ansaugkrümmer 2 fließen kann. In diesem Fall ist der Druck im AGR-Kanal an der Seite, die mit dem Auspuffkrümmer 3 verbunden ist, nicht notwendigerweise höher als der Druck im AGR-Kanal an der Seite, die mit dem Ansaugkrümmer 2 verbunden ist, was zu einer Menge Schwierigkeiten führen kann, indem eine große Menge Abgas veranlasst wird, vom Krümmer 3 zum Krümmer 2 zu fließen. Daher muss zum Beispiel ein Ladegebläse vorgesehen sein, um das Abgas zu veranlassen, von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite zu fließen.
Der Einbau der Partikelfiltereinheit 10 im Abgaskanal 11 oberhalb seiner Verbindung zum AGR-Kanal 13 verfolgt die Absicht zu verhindern, dass der Verdichter 6 und der Zwischenkühler 4 mit Partikelmaterie (Russ) verschmutzt werden.
Eine Einspritzdüse 16 für jeden Zylinder, welche zum Einspritzen von Treibstoff in die Verbrennungskammer dient, ist mit einem Ende eines Treibstoffzuleitungskanals 17 verbunden, welcher seinerseits mit seinem anderen Ende mit einer Hochdruck-Einspritzleitung (Common-Rail) 20 zum Druckaufbau des Treibstoffs verbunden ist, welcher von einer Förderpumpe 18 über eine Druckpumpe 19 zugeführt wird. Die Pumpen 18 und 19 werden durch einen Teil der Motorleistung angetrieben.
Der Ansaugkanal 9 weist einen Sauerstoffkonzentrationssensor 21 auf, welcher mit dem Kanal 9 unterhalb seiner Verbindung mit dem AGR-Kanal 13 in der Richtung des Ansaugflusses verbunden ist. Der Auspuffkanal 11 weist einen Luftüberschusssensor 22 auf, welcher mit den Auspuffkanal 11 unterhalb seiner Verbindung mit dem AGR-Kanal 13 in der Richtung des Abgasflusses verbunden ist. Der AGR-Kanal 13 weist einen AGR-Gas-Temperatursensor 23 auf, welcher mit dem Kanal 13 unterhalb seiner Verbindung mit dem AGR-Kühler 12 in der Richtung des AGR-Gasflusses verbunden ist. Daher liegen, als elektrische Signale in eine elektronische Steuereinheit 24 eingegeben, die Sauerstoffkonzentration O₂ der Ansaugluft im Kanal 9, erfasst durch den Sensor 21, der Luftüberschuss λ des Abgases im Auspuffkanal 11, erfasst durch den Sensor 22, und die Temperatur T des AGR-Gases im Kanal 13, erfasst durch den Sensor 23, vor.
Der Motorblock 1 ist mit einem Motordrehzahlsensor 25 und einem Kurbelwellenwinkelsensor 26 ausgestattet. Die Motordrehzahl (die Anzahl der Umdrehungen des Motors) N, erfasst durch den Sensor 25, und der Kurbelwellenwinkel θ, erfasst durch den Sensor 26, werden als elektrische Signale in die elektronische Steuereinheit 24 eingegeben.
Um die Motorbelastung zu erfassen, wird ein Gaspedalneigungssensor 27 bereitgestellt. Die Gaspedalneigung (Grad der Ventilöffnung in Zusammenhang mit dem Gaspedal) Acc, erfasst durch den Sensor 27, wird als elektrisches Signal in die elektronische Steuereinheit 24 eingegeben.
Die Hochdruck-Einspritzleitung 20 wird mit einem Drucksensor 28 ausgestattet. Der Druck P des Treibstoffs in der Hochdruck-Einspritzleitung 20, erfasst durch den Sensor 28, wird als elektrisches Signal in die elektronische Steuereinheit 24 eingegeben.
In der Einheit 24 werden die jeweiligen Eingabesignale verarbeitet, um die Drosselwinkelbefehle V1 und V2 an die Antriebe 29 und 30 für die Drosselklappen 8 beziehungsweise 14 zu geben. Ventilöffnungsgradbefehle V3 und V4 werden entsprechend an das Regelventil 15 und ein Regelventil 32 auf der Kühlwasserleitung 31 zur Versorgung des AGR-Kühlers 12 mit Kühlwasser gegeben.
Von der Einheit 24 kann ein EIN-Befehl V5 an eine Solenoidspule zum ausgewählten Öffnen und Schließen des Ventils der Einspritzdüse 16; ein Ventilöffnungsgradbefehl V6 an eine Solenoidspule eines Druckregelventils 33 für die Druckpumpe 19; und ein Klappenöffnungsgradbefehl V7 an einen Antrieb 34, welcher ausgewählt die Schaufeln der Turbine 7 des Turboladers öffnen und schließen kann, gegeben werden.
Vorweg sind in die elektronische Steuereinheit 24 verschiedene Arten von Funktionsabbildungen zum Steuern jeder Vorrichtung eingegeben und sie basieren auf den Einheiten der erfassten Motordrehzahl Ne und dem Gaspedalneigungsgrad Acc. Beispiele dieser Abbildungen sind in 2–7 gezeigt.
2 zeigt eine Abbildung zum Bestimmen der Treibstoffmenge, die von der Einspritzdüse 16 eingespritzt werden soll. Jede der Kurven Q₁, Q₂, ... und Q_n stellt ein Diagramm dar, wo die Menge des eingespritzten Treibstoffs gleich ist, während der Gaspedalneigungsgrad Acc und die Motordrehzahl Ne unterschiedlich oder verändert sind. Die Menge an Treibstoff, der eingespritzt werden soll, wird erhöht in der Reihenfolge von Q₁, Q₂, ... bis Q_n.
3 zeigt eine Abbildung zum Bestimmen des Zeitpunkts, um den Treibstoff von der Einspritzdüse 16 einzuspritzen. Jede der Kurven t_i1 t_i2, ... und t_in stellt ein Diagramm dar, wo der Einspritzzeitpunkt gleich ist, während der Gaspedalneigungsgrad Acc und die Motordrehzahl Ne unterschiedlich oder verändert sind. Der Einspritzzeitpunkt ist in der Reihenfolge von t_i1, t_i2 ... bis t_in früher.
4 zeigt eine Abbildung zum Bestimmen des Öffnungsgrades des Drosselventils 8. Jede der Kurven λ₁, λ₂, ... und λ_n stellt ein Diagramm dar, wo der Luftüberschuss gleich ist, während der Gaspedalneigungsgrad Acc und die Motordrehzahl Ne unterschiedlich oder verändert sind. Der Luftüberschuss λ und der Öffnungsgrad des Drosselventils 8 werden in der Reihenfolge von λ₁, λ₂, ... bis λ_n verringert.
5 zeigt eine Abbildung zum Bestimmen des Öffnungsgrades des Drosselventils 14. Jede der Kurven AGR₁, AGR₂, ... und AGR_n stellt ein Diagramm dar, wo das AGR-Verhältnis gleich ist, während der Gaspedalneigungsgrad Acc und die Motordrehzahl Ne unterschiedlich oder verändert sind. Das AGR-Verhältnis und der Öffnungsgrad des Drosselventils 14 werden in der Reihenfolge von AGR₁, AGR₂, ... bis AGR_n verringert.
6 zeigt eine Abbildung zum Bestimmen des Zeitpunkts, um das Ansaugventil zum Ansaugen für jeden Zylinder des Motors zu öffnen. Jede der Kurven t_s1, t_s2, ... und t_sn stellt ein Diagramm dar, wo der Zeitpunkt zum Öffnen des Ansaugventils gleich ist, während der Gaspedalneigungsgrad Acc und die Motordrehzahl Ne unterschiedlich oder verändert sind. Der Zeitpunkt, um das Ansaugventil zu öffnen, ist in der Reihenfolge von t_s1, t_s2, ... bis t_sn früher.
7 zeigt eine Abbildung zum Bestimmen des Zeitpunkts, um das Ansaugventil zu schließen. Jede der Kurven t_e1, t_e2, ... und t_en stellt ein Diagramm dar, wo der Zeitpunkt zum Schließen des Ansaugventils gleich ist, während der Gaspedalneigungsgrad Acc und die Motordrehzahl Ne unterschiedlich oder verändert sind. Der Zeitpunkt, um das Ansaugventil zu schließen, ist in der Reihenfolge von t_e1, t_e2, ... bis t_en früher.
Zusätzlich zum Obigen, wo Abbildungen auf der elektronischen Steuereinheit 24 bereitgestellt werden, um jede Vorrichtung und Einheit zu steuern, können verschiedene andere Abbildungen, wie eine Abbildung für den Schaufelöffnungsgrad (VGT-Öffnungsgrad) der Turbine 7 des Turboladers, eine Abbildung für den Druck in der Hochdruck-Einspritzleitung 20 usw., vorhanden sein.
Der Betriebsmodus der dargestellten Ausführungsform wird nun beschrieben.
Im Motor, wie oben beschrieben, wird frische Luft, die in den Ansaugkanal 9 eingesaugt wird, mit dem AGR-Gas vom AGR-Kanal 13 gemischt und zum Verdichter 6 des Turboladers geschickt, wo sie verdichtet und zum Ansaugkanal 5 geschickt wird. Nachdem sie durch den Zwischenkühler 4 gekühlt wurde, wird sie in jeden Zylinder des Motorblocks 1 durch den Ansaugkrümmer 2 eingeleitet.
Der Treibstoff von der Hochdruck-Einspritzleitung 20 wird in die Verbrennungskammer jedes Zylinders mittels der Einspritzdüse 16 eingespritzt. Er wird mit dem Ansauggas gemischt und wird schnell verbrannt. Durch die Kraft, die durch die Verbrennung erzeugt wird, wird der Motor angetrieben.
Das Abgas, welches von jedem Zylinder ausgestoßen wird, wird in die Turbine 7 des Turboladers durch den Auspuffkrümmer 3 eingeleitet. Es treibt den Verdichter 6 mittels der Turbine 7 an und wird der Partikelfiltereinheit 10 von der Turbine 7 aus über den Auspuffkanal 11 zugeführt.
Daher wird die Partikelmaterie im Abgas, welches der Partikelfiltereinheit 10 zugeführt wird, durch die Einheit 10 entfernt. Das Abgas, das demzufolge frei von der Partikelmaterie ist, wird zu einer nachfolgenden Weiterleitung durch den Auspuffkanal 11 geschickt. In diesem Fall wird ein Teil des Abgases zum AGR-Kanal 13 geschickt und durch den AGR-Kühler 12 heruntergekühlt, um in ein AGR-Gas mit einer vorbestimmten Temperatur umgewandelt zu werden, und wird dann vom AGR-Kanal 13 zum Ansaugkanal 9 geschickt, wobei die Abgasrückführung (AGR-Steuerung) ausgeführt wird.
Durch den Betrieb, wie oben beschrieben, kann die Menge an NO_x- und Russ-Emissionen verringert werden.
Als Nächstes wird eine allgemeine Darstellung des Motorbetriebs in einem Fall, wo die AGR-Steuerung ausgeführt wird, in Verbindung mit 8 beschrieben.
Wenn der Motor betrieben wird, liegen die Daten, eingegeben als elektrische Signale an die elektronische Steuereinheit 24, wie der Gaspedalneigungsgrad Acc, erfasst durch den Sensor 27, die Motordrehzahl Ne, erfasst durch den Sensor 25, der Kurbelwellenwinkel θ, erfasst durch den Sensor 26, die Sauerstoffkonzentration O₂, erfasst durch den Sensor 21, der Luftüberschuss λ, erfasst durch den Sensor 22, die Temperatur T des AGR-Gases, erfasst durch den Sensor 23, usw., vor. In der Einheit 24 werden die Daten gemäß jeder der Funktionsabbildungen, die vorweg eingegeben wurden, verarbeitet und jeder der Befehle V1–V7 wird ausgegeben.
Genauer gesagt, werden in der Einheit 24 die SOLL-Werte der Einspritzmenge und des Einspritzzeitpunkts der Einspritzdüse 16, des Treibstoffdrucks in der Hochdruck-Einspritzleitung 20, des Luftüberschusses der Ansaugluft, die in jeden Zylinder eingeleitet werden soll, und der Temperatur des AGR-Gases am Auslass des AGR-Kühlers 12 aus den entsprechenden Abbildungen, welche vorweg in die Einheit 24 eingegeben wurden, auf der Grundlage der eingegebenen Motordrehzahl Ne und des eingegebenen Gaspedalneigungsgrades Acc eingelesen. Auf Grundlage dieser SOLL-Werte wird der EIN-Befehl V5 an die Solenoidspule zum ausgewählten Öffnen und Schließen des Ventils der Einspritzdüse 16 gegeben, um so die Einspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt der Einspritzdüse 16 auf die SOLL-Werte hinzuregeln. Der Ventilöffnungsgradbefehl V6 wird an das Druckregelventil 33 der Druckpumpe 19 gegeben, um so den Treibstoffdruck, der in der Hochdruck-Einspritzleitung 20 aufgebaut wird, auf den SOLL-Wert hinzuregeln.
Des Weiteren werden in der Einheit 24 die SOLL-Werte des VGT-Öffnungsgrades der Turbine 7 des Turboladers, des Öffnungsgrades des Regelventils 32 im AGR-Kühler 12, des Öffnungsgrades (völlig geöffnet oder völlig geschlossen) des Regelventils 15 im AGR-Kanal 13, des Drosselklappenwinkels des Drosselklappenventils 14 im AGR-Kanal 13, des Drosselklappenwinkels des Drosselklappenventils 8 im Ansaugkanal 9 usw., aus den entsprechenden Abbildungen eingelesen. Auf Grund dieser SOLL-Werte wird der Schaufelöffnungsgradbefehl V7 an den Antrieb 34 ausgegeben, um so den VGT-Öffnungsgrad der Turbine 7 auf den SOLL-Wert hinzuregeln. Der Ventilöffnungsgradbefehl V4 wird an das Regelventil 32 des AGR-Kühlers 12 ausgegeben, um so den Öffnungsgrad des Regelventils 32 auf den SOLL-Wert hinzuregeln. Der Ventilöffnungsgradbefehl V3 wird an das Regel ventil 15 ausgegeben, um so den Öffnungsgrad (völlig geöffnet oder völlig geschlossen) des Regelventils 15 auf den SOLL-Wert hinzuregeln. Der Drosselklappenwinkelbefehl V2 wird an den Antrieb 30 ausgegeben, um so den Drosselklappenwinkel des Drosselklappenventils 14 auf den SOLL-Wert hinzuregeln. Der Drosselklappenwinkelbefehl V1 wird an den Antrieb 29 ausgegeben, um so den Drosselklappenwinkel des Drosselklappenventils 8 auf den SOLL-Wert hinzuregeln.
Dann wird geprüft, ob der tatsächliche Wert des Luftüberschusses λ, erfasst durch den Sensor 22, mit dem SOLL-Wert übereinstimmt oder nicht, ob der tatsächliche Wert des AGR-Verhältnisses, bestimmt aus dem Luftüberschuss λ beziehungsweise aus der Sauerstoffkonzentration O₂, erfasst durch den Sensor 22 und 21, mit dem SOLL-Wert übereinstimmt oder nicht, und ob die tatsächliche Temperatur T des AGR-Gases, erfasst durch den Sensor 23, mit dem SOLL-Wert übereinstimmt oder nicht. In dem Fall, wo diese IST-Werte mit den SOLL-Werten übereinstimmen, kehrt der Vorgang zum Einlesen der entsprechenden Funktionsabbildungen, die auf der Motordrehzahl Ne und der Gaspedalneigung Acc basieren, zurück.
Wenn jedoch die IST-Werte nicht mit den SOLL-Werten übereinstimmen, werden die SOLL-Werte des VGT-Öffnungsgrades der Turbine 7, des Öffnungsgrades des Regelventils 32 im AGR-Kühler 12, des Öffnungsgrades des Regelventils 15 im AGR-Kanal 13, des Drosselklappenwinkels des Drosselklappenventils 14 im AGR-Kanal 13 und des Drosselklappenwinkels des Drosselklappenventils 8 im Ansaugkanal 9 modifiziert. Dann werden der VGT-Öffnungsgrad, der Öffnungsgrad des Regelventils 32, der Öffnungsgrad des Regelventils 15 und die Drosselklappenwinkel der Drosselklappenventile 14 und 8 auf den modifizierten SOLL-Wert hingeregelt.
Als Nächstes mit Bezugnahme auf 9–22 erfolgt eine genaue Beschreibung des Regelvorgangs, wenn die Mengen der NO_x- und Russ-Emissionen im Abgas des Dieselmotors verringert werden und der Treibstoffverbrauch im gesamten Motorbetriebsleistungsbereich von geringer bis zu hoher Motorleistung ebenfalls verringert wird.
I) In einem Falle von niedriger bis mittlerer Motorleistung
In diesem Fall ist der Zeitpunkt, um die Einspritzung des Treibstoffes aus der Einspritzdüse 16 zu beginnen, auf 10–30 BTDC (vor dem oberen Todpunkt), gezeigt als Position X in 9, eingestellt. Der Luftüberschuss λ ist auf die Höhe 1,2–2 geregelt und das AGR-Verhältnis ist gering bei 40–60% gehalten. Daraus ergibt sich, dass die Zündverzögerung D erhöht wird, wie in 10 gezeigt, und die Treibstoffeinspritzung während der Zündverzögerung D abgeschlossen ist. Dadurch, dass dies geschieht, wird der Treibstoff in ein mageres Mischungsgas nach abgeschlossener Einspritzung umgewandelt und er wird bei niedriger Temperatur verbrannt (magere vorgemischte Verdichtungszündung). Daraus ergibt sich, dass kein NO_x und kein Russ ausgestoßen werden. Der Zylinderinnendruck liegt auf dem in 11 gezeigten Niveau.
II) In einem Fall von mittlerer bis hoher Motorleistung
In diesem Fall ist der Zeitpunkt, um die Einspritzung des Treibstoffes aus der Einspritzdüse 16 zu beginnen, auf 0–10 BTDC eingestellt, gezeigt in 12. Der Luftüberschuss λ ist auf die Höhe 1,0–1,2 geregelt und das AGR-Verhältnis wird auf der Höhe von 50–70% gehalten. Daraus ergibt sich, dass die Verbrennung bei niedriger Temperatur im Ausdehnungsvorgang ausgeführt wird, wie in 13 gezeigt, und dass kein NO_x und kein Russ ausgestoßen werden. Der Zylinderinnendruck liegt auf dem in 14 gezeigten Niveau.
18 zeigt eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen Treibstoffeinspritzzeitpunkt auf der einen Seite und Treibstoffverbrauch und Menge des erzeugten Rußes auf der anderen Seite zeigt. Es geht deutlich aus diesem Graph hervor, dass, wenn der Treibstoffeinspritzzeitpunkt so gewählt ist, um den Treibstoffverbrauch zu senken, Partikelmaterie erzeugt wird. Jedoch wird die Partikelmaterie durch die Partikelfiltereinheit 10 aufgefangen und nicht an die Umgebungsluft abgegeben.
III) In einem Fall von hoher Motorleistung
In diesem Fall ist der Zeitpunkt, um die Einspritzung des Treibstoffes aus der Einspritzdüse 16 zu beginnen, auf 0–20 BTDC eingestellt, gezeigt in 15. Die Steuerung wird so ausgeführt, um eine normale Dieselverbrennung durchzuführen, so dass der Luftüberschuss λ auf die Höhe 1,5–2 geregelt ist und das AGR-Verhältnis so niedrig wie 0–50% gehalten wird. Die Verbrennungsbedingung in diesem Fall ist in 16 gezeigt und der Zylinderinnendruck ist in 17 gezeigt. Unter dieser Bedingung können die NO_x- und Russ-Emissionen nicht auf Null gebracht werden, aber die Partikel werden durch die Partikelfiltereinheit 10 aufgefangen.
19 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung der Äquivalenzrate (Umkehrzahl des Luftüberschusses λ) und der absoluten Temperatur bei jeder der Motorleistungen zeigt, wenn die Verbrennung wie in I), II) und III) oben geregelt ist. Das Symbol A zeigt den Verbrennungsbereich von niedriger bis mittlerer Leistung; B den Verbrennungsbereich von mittlerer bis hoher Leistung; und C den Verbrennungsbereich bei hoher Leistung. Es geht aus dem Graph aus 19 offensichtlich hervor, dass die Erzeugung von NO_x und Russ auf fast Null in den Fällen von niedriger und mittlerer Leistung abgesenkt werden kann, während im Fall von hoher Leistung einige Mengen an NO_x- und Russ-Emissionen in Abhängigkeit von den Bedingungen erzeugt werden können. In 20–22 stellen die durchgezogenen Linien die Bedingungen in dem Fall dar, wo die Auspuff- und Ansaugventilhübe in jedem Zylinder durch die Verbrennungssteuerung, wie oben beschrieben, gesteuert werden. 20 zeigt die Bedingungen der Auspuff- und Ansaugventilhübe bei niedriger Drehzahl und niedriger Leistung. 21 zeigt die Bedingungen der Auspuff- und Ansaugventilhübe bei niedriger Drehzahl und mittlerer bis hoher Leistung. 22 zeigt die Bedingungen der Auspuff- und Ansaugventilhübe bei hoher Drehzahl und hoher Leistung.
Im Falle von niedriger Drehzahl und hoher Leistung, wie in 21 gezeigt, ist der Zeitpunkt zum Schließen des Ansaugventils um t₁-Sekunden im Vergleich zu dem Fall niedrige Drehzahl und niedrige Belastung früher eingestellt. Im Falle von hoher Drehzahl und hoher Leistung, wie in 22 gezeigt, ist der Zeitpunkt zum Öffnen des Ansaugventils um t₂-Sekunden früher eingestellt und der Zeitpunkt zum Schließen um t₃-Sekunden früher eingestellt. Diese Zeitpunkte werden durch die Befehle von der elektronischen Steuereinheit 24 eingestellt, wie in 1 gezeigt.
Es versteht sich von selbst, dass die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung nicht auf die Ausführungsform, die in den Zeichnungen gezeigt ist, beschränkt ist und dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Geist und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann als das Mittel, um die Zündungsverzögerung zu steigern, die Verdichtungsrate des Kolbens oder die Gestalt und die Struktur der Verbrennungskammer oder der Einspritzdüse verändert werden. Als Mittel, um eine große Menge an AGR-Gas rückzuführen, kann eine AGR-Pumpe eingesetzt werden. Des Weiteren kann, um die Regelung zu beeinflussen, um Wärme am oder nahe am TDC zu erzeugen, die Einspritzdüse in mehrfachen Stufen gestaltet sein oder der Zeitablauf der Einspritzung kann gesteuert werden oder das AGR-Verhältnis kann gesteuert werden.
Wie oben beschrieben, ist in der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung im gesamten Motorbetriebsleistungsbereich von niedriger bis zu hoher Leistung sichergestellt, dass die Mengen an NO_x- und Russ-Emissionen aus dem Motor gesenkt werden können und dass der Treibstoffverbrauch verringert werden kann.

Claims

Brennkraftmaschine, umfassend Mittel zum Senken der Verbrennungstemperatur und Mittel zum Erhöhen der Zündungsverzögerung, wobei beide Mittel bei niedriger bis mittlerer Motorleistung so verwendet werden, dass die Verbrennung des Treibstoffes im Motor bei einer Temperatur, die geringer ist als jene, bei der NO_x erzeugt wird, und bei einer Äquivalenzrate erfolgt, welche geringer ist als jene, bei der Russ erzeugt wird, wobei das Mittel zum Senken der Verbrennungstemperatur bei mittlerer bis hoher Motorleistung so verwendet wird, dass die Verbrennung des Treibstoffes im Motor bei einer Temperatur stattfindet, die geringer ist als jene, bei der NO_x oder Russ erzeugt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Abgasrückführungsdurchgang (13) zum Verbinden eines Auspuffkanals (11) unterhalb einer Turbine (7) eines Turboladers mit einem Ansaugkanal (9) oberhalb eines Verdichters (6) des Turboladers und ein Mittel (10) zum Entfernen von Partikelmaterie, welches in einem Abschnitt des Auspuffkanals (11) oberhalb einer Verbindung des Auspuffkanals (11) mit dem Abgasrückführungsdurchgang (13) bereitgestellt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Erhöhen der Zündungsverzögerung ein Mittel (24) zum Steuern des Zeitpunkts der Treibstoffeinspritzung, um einen früheren Zeitpunkt für die Treibstoffeinspritzung einzustellen, umfasst.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei das Mittel zum Senken der Verbrennungstemperatur die Mittel (7, 11, 13, 9, 6, 5) zum Rückführen von Abgas zum Motor (1) über den Abgasrückführungsdurchgang (13) umfasst.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die Rückführungsrate des Abgases, welches in den Motor (1) über den Abgasrückführungsdurchgang (13) rückgeführt werden soll, auf mehr als ungefähr 40% bei niedriger bis mittlerer Motorleistung, auf mehr als ungefähr 50% bei mittlerer bis hoher Motorleistung und auf weniger als ungefähr 50% bei hoher Motorleistung eingestellt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend ein Mittel (12) zum Kühlen des Abgases im Abgasrückführungsdurchgang (13).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend ein Mittel (24) zum Anpassen des Zeitpunkts zum Schließen eines Ansaugventils für die Ansaugung zum Motor (1), wobei der Zeitpunkt zum Schließen des Ansaugventils durch das Steuermittel (24) verzögert wird, wenn die Leistung des Motors (1) erhöht wird.