DE69916357T2

DE69916357T2 - Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung

Info

Publication number: DE69916357T2
Application number: DE69916357T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Toyota-shi Aichi-ken Murata; Shizuo Toyota-shi Aichi-ken Sasaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: EP0943790B1; JP3334597B2; DE69916357D1; EP0943790A3; US6109025A; EP0943790A2; JPH11257054A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung.
2. Beschreibung zum Stand der Technik
In der Vergangenheit wurde bei einer Brennkraftmaschine, beispielsweise bei einer Dieselmaschine, die Erzeugung von NOx unterdrückt, indem der Maschinenabgasdurchgang und der Maschinenansaugdurchgang durch einen Abgasrezirkulations(EGR)-Durchgang verbunden werden, um somit zu bewirken, dass das Abgas, d. h. das EGR-Gas, durch den EGR-Durchgang in dem Maschinenansaugdurchgang rezirkuliert wird. In diesem Fall hat das EGR-Gas eine relativ hohe, spezifische Wärme, und kann daher eine hohe Menge an Wärme absorbieren, so dass gilt, dass, je höher die Menge an EGR-Gas, d. h. je höher die EGR-Rate (Menge an EGR-Gas/(Menge EGR-Gas + Menge an Ansaugluft) ist, desto niedriger ist die Verbrennungstemperatur in dem Maschinenansaugdurchgang. Wenn die Verbrennungstemperatur sinkt, sinkt die Menge an erzeugtem NOx, und daher gilt, dass, je höher die EGR-Rate ist, desto niedriger ist die Menge an erzeugtem NOx.
Auf diese Weise galt in der Vergangenheit, dass, je höher die EGR-Rate ist, desto niedriger kann die Menge an erzeugtem NOx werden. Wenn jedoch die EGR-Rate erhöht wird, beginnt die Menge an erzeugtem Ruß, d. h. an Rauch, damit scharf anzusteigen, wenn die EGR-Rate ein bestimmtes Limit übersteigt. Angesichts dessen wurde in der Vergangenheit angenommen, dass, wenn die EGR-Rate erhöht wurde, der Rauch ohne Limit ansteigen würde. Daher wurde angenommen, dass die EGR-Rate, bei welcher der Rauch damit beginnt scharf anzusteigen, das maximal erlaubbare Limit der EGR-Rate war.
Daher wurde in der Vergangenheit die EGR-Rate innerhalb eines Bereiches eingestellt, welcher das maximal erlaubbare Limit nicht übersteigt. Das maximal erlaubbare Limit der EGR-Rate unterschied sich beträchtlich gemäß dem Typ der Maschine und des Kraftstoffes, rangierte aber etwa von 30% bis 50%. Demgemäss wurde bei herkömmlichen Dieselmaschinen die EGR-Rate maximal von 30% bis 50% unterdrückt.
Da in der Vergangenheit angenommen wurde, dass es ein maximal erlaubbares Limit der EGR-Rate gibt, wurde in der Vergangenheit die EGR-Rate so eingestellt, dass die Menge an erzeugtem NOx so klein wie möglich innerhalb eines Bereiches werden wird, welcher das maximal erlaubbare Limit nicht übersteigt. Sogar wenn die EGR-Rate auf diese Weise so eingestellt wird, dass die Menge an erzeugtem NOx so klein wie möglich wird, gibt es jedoch Limits bzgl. der Reduktion der Erzeugungsmenge von NOx. In der Praxis wird daher weiterhin eine beträchtliche Menge an NOx erzeugt.
Daher ist im Stand der Technik eine Dieselmaschine bekannt, bei welcher im Abgasdurchgang ein NOx-Absorber angeordnet ist, welcher NOx absorbiert, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis von Abgas, welches in den NOx-Absorber fließt, mager ist, und das absorbierte NOx freisetzt und reduziert, wenn das Luft- Kraftstoffverhältnis des Abgases, welches in den NOx-Absorber fließt, fett ist oder das stöchiometrische Luft- Kraftstoffverhältnis hat (International Publication WO 93/07363). Bei dieser Dieselmaschine ist, genauso wie bei den herkömmlichen Dieselmaschinen, das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer mager, daher wird das in der Verbrennungskammer erzeugte NOx durch den NOx-Absorber absorbiert. Ferner wird bei dieser Dieselmaschine, wenn die Menge an in dem NOx-Absorber absorbiertem NOx eine vorbestimmte Menge übersteigt, das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer zeitweilig fett eingestellt, und daher wird das NOx aus dem NOx-Absorber freigesetzt, und das freigesetzte NOx wird reduziert.
Bei einer solchen Dieselmaschine gibt es jedoch das Problem, dass, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer fett eingestellt wird, eine hohe Menge an Rauch erzeugt wird.
Andererseits entdeckten die vorliegenden Erfindung im Verlaufe von Studien an der Verbrennung in Dieselmaschinen, dass, wenn die EGR-Rate höher als das maximal erlaubbare Limit eingestellt wird, der Rauch scharf ansteigt, wie oben erläutert, dass es jedoch einen Spitzenwert der Menge an erzeugtem Rauch gibt, und dass, sobald dieser Spitzenwert überschritten ist, wenn die EGR-Rate ferner höher eingestellt wird, der Rauch damit beginnt scharf abzunehmen, und dass, wenn die EGR-Rate auf mindestens 70% eingestellt wird, während die Maschine im Leerlauf ist, oder wenn das EGR-Gas zwangsgekühlt wird, und die EGR-Rate auf etwa mindestens 55 eingestellt wird, der Rauch beinahe komplett verschwinden wird, d. h., dass beinahe kein Ruß erzeugt werden wird, sogar wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer fett eingestellt wird. Das heißt, dass die vorliegenden Erfinder ein neues Verbrennungsverfahren entdeckten, welches es erlaubt, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer fett eingestellt wird, ohne die Erzeugung von Rauch zu bewirken.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung bereitzustellen, welche dieses neue Verbrennungsverfahren verwendet und daher in der Lage ist, die Freisetzung von NOx aus einem NOx-Absorber ohne Erzeugung von Rauch zu bewirken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung bereitgestellt, bei welcher eine Erzeugungsmenge an Ruß stufenförmig ansteigt, und dann einen Spitzenwert erreicht, wenn eine Menge an Inertgas in einer Verbrennungskammer ansteigt, und bei welcher ein weiterer Anstieg der Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer dazu führt, dass eine Temperatur von Kraftstoff und umgebenden Gas zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Verbrennungskammer niedriger wird als eine Temperatur zum Erzeugen von Ruß, und daher weiterhin beinahe kein Ruß erzeugt wird, wobei die Maschine enthält: ein Umschaltmittel zum selektiven Umschalten zwischen einer ersten Verbrennung, bei welcher die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer höher als die Menge an Inertgas ist, bei welcher die Erzeugungsmenge an Ruß einen Spitzenwert erreicht, und beinahe kein Ruß erzeugt wird, und einer zweiten Verbrennung, bei welcher die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer kleiner als die Menge an Inertgas ist, bei welcher die Erzeugungsmenge an Ruß einen Spitzenwert erreicht; einen NOx-Absorber, welcher in einem Abgasdurchgang der Maschine angeordnet ist und NOx absorbiert, wenn ein Luft-Kraftstoffverhältnis eines Abgases, welches in den NOx-Absorber fließt, mager ist, wobei der NOx-Absorber ein absorbiertes NOx freisetzt, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, welches in dem NOx-Absorber fließt, fett ist oder das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis hat; und ein Antriebsleistungs-Erzeugungsmittel zum Erzeugen einer Antriebsleistung, und zwar getrennt von einer Antriebsleistung der Maschine, wobei, wenn NOx von dem NOx-Absorber freigesetzt werden soll, wenn die zweite Verbrennung durchgeführt wird, die zweite Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet wird, und das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer fett gemacht wird oder das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis wird, indem eine Menge an Kraftstoff reduziert wird, welcher der Maschine zugeführt wird, und das Antriebsleistungs-Erzeugungsmittel die Antriebsleistung erzeugt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung kann deutlicher anhand der unten dargelegten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen:
1 eine Gesamtansicht einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung ist;
2 eine Seitenschnittansicht des Maschinenkörpers ist;
3 eine Ansicht der Erzeugungsmenge von Rauch und NOx ist;
4A und 4B Ansichten des Verbrennungsdrucks sind;
5 eine Ansicht eines Kraftstoffmoleküls ist;
6 eine Ansicht der Beziehung zwischen der erzeugten Rauchmenge und der EGR-Rate ist;
7 eine Ansicht der Beziehung zwischen der Menge an eingespritztem Kraftstoff und der Menge an Mischgas ist;
8 eine Ansicht eines ersten Betriebsbereichs I und eines zweiten Betriebsbereichs II ist;
9 eine Ansicht der Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors ist;
10 eine Ansicht des Öffnungsgrades eines Drosselventils, usw. ist;
11A und 11B Ansichten zum Erläutern der Absorbier- und Freisetzaktivität von NOx sind;
12A und 12B Ansichten von Abbildungen der Absorptionsmenge von NOx pro Zeiteinheit sind;
13 ein Zeitablauf zum Erläutern der Steuerung der Freisetzung von NOx ist;
14 ein weiterer Zeitablauf zum Erläutern der Steuerung der Freisetzung von NOx ist;
15 eine Ansicht des Ausgabedrehmoments der Maschine ist;
16 ein Ablaufdiagramm der Verarbeitung in Bezug auf ein NOx-Freisetzflag ist;
17 und 18 Ablaufdiagramme der Routine zum Steuern des Betriebes sind;
19 ein Ablaufdiagramm der Verarbeitung zur Beschleunigung und Verzögerung ist;
20 eine Ansicht des durch einen Elektromotor zu erzeugenden Ausgabedrehmoments ist;
21 eine Gesamtansicht einer weiteren Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung ist; und
22 eine Übersicht einer noch weiteren Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 und 2 sind Ansichten des Falles der Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einer Viertakt Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung.
Bezugnehmend auf 1 und 2, zeigt 1 einen Maschinenkörper, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Verbrennungskammer, 6 einen elektrisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzer, 7 ein Ansaugventil, 8 eine Ansaugöffnung, 9 ein Abgasventil und 10 eine Abgasöffnung. Die Ansaugöffnung 8 ist über eine entsprechende Ansaugröhre 11 mit dem Schubtank 12 verbunden. Der Schubtank 12 ist über einen Ansaugkanal 13 und einen Kompressor 15 eines Abgasturboladers 14 mit einem Luftreiniger 16 verbunden. Ein durch einen Elektromotor 17 angetriebenes Drosselventil 18 ist in dem Ansaugkanal 13 angeordnet. Andererseits ist die Abgasöffnung 10 über einen Abgasverteiler 19 und eine Abgasturbine 20 des Abgasturboladers 14 mit einem katalytischen Umwandler 22 verbunden, welcher einen Katalysator 21 unterbringt, der eine Oxidationsfunktion hat. Ein Luft-Kraftstoffverhältnissensor 23 ist im Abgasverteiler 19 angeordnet.
Der Abgasverteiler 19 und Schubtank 12 sind über einen EGR-Durchgang 24 miteinander verbunden. Ein elektrisch gesteuertes EGR-Steuerventil 25 ist in einem EGR-Durchgang 24 angeordnet. Ferner ist eine Kühlvorrichtung 26 zum Kühlen des durch den EGR-Durchgang 24 fließenden EGR-Gases um den EGR-Durchgang 25 bereitgestellt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird das Maschinenkühlwasser zu der Kühlvorrichtung 26 geleitet, bei welcher das Maschinenkühlwasser zum Kühlen des EGR-Gases verwendet wird.
Andererseits ist jeder Kraftstoffeinspritzer 6 über eine Kraftstoffzuführröhre 27 mit dem Kraftstoffreservoir verbunden, d. h. über eine gemeinsame Kraftstoffleitung 28. Von einer elektrisch gesteuerten, variablen Entladungskraftstoffpumpe 29 wird Kraftstoff der gemeinsamen Kraftstoffleitung 28 zugeführt. Ein der gemeinsamen Kraftstoffleitung 28 zugeführter Kraftstoff wird über jede Kraftstoffzuführröhre 27 den Kraftstoffeinspritzern 6 zugeführt. Ein Kraftstoffdrucksensor 30 zum Erfassen des Kraftstoffdrucks in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 28 ist an der gemeinsamen Kraftstoffleitung 28 angebracht. Die Entladungsmenge der Kraftstoffpumpe 29 wird basierend auf dem Ausgabesignal des Kraftstoffdrucksensors 30 so gesteuert, dass der Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 28 der Zielkraftstoffdruck wird.
Ein Elektromotor 32 ist an einer Ausgabewelle 31 der Maschine angebracht. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform besteht der Elektromotor 32 aus einem synchronen Wechselstrom-Elektromotor, welcher mit einem an der Ausgabewelle 31 der Maschine angebrachten Rotor 33 bereitgestellt wird und eine Vielzahl von Permanentmagneten an seinem Außenumfang befestigt hat, und darum einen Stator 34 hat, welcher eine gewickelte Anregungsspule hat, die ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Die Anregungsspule des Stators 34 ist mit einer Motorantriebssteuerschaltung 35 verbunden, während die Motorantriebssteuerschaltung 35 mit einer Batterie 36 verbunden ist, die eine Gleichstromhochspannung erzeugt.
Eine elektronische Steuereinheit 40 ist aus einem digitalen Computer zusammengesetzt und wird mit einem ROM (Read Only Memory) 42, einem RAM (Random Access Memory) 43, einer CPU (Mikroprozessor) 44, einem Eingabeanschluss 45 und einem Ausgabeanschluss 46 bereitgestellt, welche durch einen bidirektionalen Bus 41 miteinander verbunden sind. Das Ausgabesignal des Luft-Kraftstoffverhältnissensors 23 wird über einen entsprechenden AD-Umwandler 47 an den Eingabeanschluss 45 eingegeben. Ferner wird das Ausgabesignal des Kraftstoffdrucksensors 30 über einen entsprechenden AD-Umwandler 47 an den Eingabeanschluss 45 eingegeben. Ein Gaspedal 50 ist mit einem Lastsensor 51 zum Erzeugen einer Ausgabespannung proportional zum Niederdruckgrad L des Gaspedals 50 verbunden. Die Ausgabespannung des Lastsensors 51 wird über einen entsprechenden AD-Umwandler 47 an den Eingabeanschluss 45 eingegeben. Ferner ist der Eingabeanschluss 45 mit einem Kurbelwinkelsensor 52 zum Erzeugen eines Ausgabeimpulses, und zwar jedes Mal dann, wenn sich die Kurbelwelle beispielsweise um 30° dreht, verbunden. Andererseits ist der Ausgabeanschluss 46 über eine entsprechende Antriebsschaltung 48 mit dem Kraftstoffeinspritzer 6, Elektromotor 17, EGR-Steuerventil 25, der Kraftstoffpumpe 29 und der Motorantriebssteuerschaltung 35 verbunden.
Für gewöhnlich wird die Leistungszuführung an die Anregungsspule des Stators 34 des Elektromotors 32 beendet. Zu dieser Zeit dreht sich der Rotor 33 zusammen mit der Ausgabewelle 31 der Maschine. Andererseits wird, wenn der Elektromotor 32 angetrieben wird, die hohe Gleichspannung der Batterie 36 an der Motorantriebssteuerschaltung 35 auf einen Dreiphasenwechselstrom mit einer Frequenz fm und einem Strom Im umgewandelt. Dieser Dreiphasenwechselstrom wird der Anregungsspule des Stators 34 zugeführt. Diese Frequenz fm ist die Frequenz, welche notwendig ist, um das durch die Anregungsspule erzeugte magnetische Drehfeld in Synchronisation mit der Umdrehung des Rotors 33 drehen zu lassen. Diese Frequenz fm wird durch die CPU 44 basierend auf dem Ausgabesignal des Umdrehungsgeschwindigkeitssensors 52 berechnet. In der Motorantriebssteuerschaltung 35 wird die Frequenz fm auf die Frequenz des Dreiphasenwechselstroms eingestellt.
Andererseits ist das Ausgabedrehmoment des Elektromotors 32 im wesentlichen proportional zum Stromwert Im des Dreiphasenwechselstroms. Dieser Stromwert Im wird in der CPU 44 basierend auf das angeforderte Ausgabedrehmoment des Elektromotors 32 berechnet. In der Motorantriebssteuerschaltung 35 wird der Stromwert Im auf den Stromwert des Dreiphasenwechselstroms eingestellt.
Wenn ferner der Elektromotor 32 in einen durch die Maschine angetriebenen Zustand gesetzt wird, wird die Batterie 36 durch die zu dieser Zeit erzeugte Leistung aufgeladen. Ob der Elektromotor 32 durch die Maschine angetrieben wird oder nicht, wird durch die CPU 44 beurteilt. Wenn beurteilt wird, dass der Elektromotor 32 durch die Maschine angetrieben werden sollte, steuert die Motorantriebssteuerschaltung 35 das System so, dass die Batterie 36 durch die Leistung aufgeladen wird, welche durch den Elektromotor 32 erzeugt wird.
3 zeigt ein Beispiel eines Experiments, welches die Änderungen im Ausgabedrehmoment und die Änderungen in der Menge an Rauch, HC, CO und NOx, welche ausgegeben werden, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F (Abszisse in 3) geändert wird, durch Ändern des Öffnungsgrades des Drosselventils 18 und der EGR-Rate zum Zeitpunkt des niedrigen Maschinenlastbetriebes zeigt. Wie anhand von 3 verstanden wird, wird in diesem Experiment die EGR-Rate größer, je kleiner das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F wird. Unterhalb des stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnisses (= 14,6) wird die EGR-Rate über 65%.
Wie in 3 gezeigt, beginnt, wenn die EGR-Rate zum Reduzieren des Luft-Kraftstoffverhältnisses A/F erhöht wird, die Menge an erzeugtem Rauch anzusteigen, wenn die EGR-Rate nahe 40% wird und das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F etwa 30 wird. Wenn als nächstes die EGR-Rate ferner erhöht wird, und das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F kleiner gemacht wird, steigt die Menge an erzeugtem Rauch scharf an und nimmt einen Spitzenwert ein. Wenn als nächstes die EGR-Rate ferner erhöht wird, und das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F kleiner gemacht wird, fällt der Rauch scharf ab. Wenn die EGR-Rate auf über 65% eingestellt wird, und das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F nahe 15,0 wird, wird der erzeugte Rauch nahezu 0. Das heißt, dass weiterhin beinahe kein Ruß erzeugt wird. Zu dieser Zeit fällt das Ausgabedrehmoment der Maschine etwas ab, und die Menge an erzeugtem NOx wird beträchtlich geringer. Andererseits beginnen zu dieser Zeit die Mengen an erzeugten HC und CO anzusteigen.
4A zeigt die Änderungen im Kompressionsdruck in der Verbrennungskammer 5, wenn die Menge an erzeugtem Rauch, nahe einem Luft-Kraftstoffverhältnis A/F von 21, die größte ist. 4B zeigt die Änderungen im Kompressionsdruck in der Verbrennungskammer 5, wenn die Menge an erzeugtem Rauch, nahe einem Luft-Kraftstoffverhältnis A/F von 18, im wesentlichen Null ist. Wie anhand eines Vergleichs von 4A und 4B verstanden wird, ist der Verbrennungsdruck in dem in 4B gezeigten Fall niedriger, bei welchem die Menge an erzeugtem Rauch im wesentlichen Null ist, als bei dem in 4A gezeigtem Fall, bei welchem die Menge an erzeugtem Rauch hoch ist.
Das folgende kann anhand der Ergebnisse des in 3 und 4A und 4B gezeigten Experiments gesagt werden. Das heißt, erstens, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F geringer als 15,0 ist, und die Menge an erzeugtem Rauch im wesentlichen Null ist, dann die Menge an erzeugtem NOx, wie in 3 gezeigt, beträchtlich abfällt. Die Tatsache, dass die Menge an erzeugtem NOx abfällt, bedeutet, dass die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 abfällt. Daher kann gesagt werden, dass, wenn beinahe kein Ruß erzeugt wird, die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 niedriger wird. Dasselbe kann anhand von 4A und 4B gesagt werden. Das heißt, dass in dem in 4B gezeigtem Fall, bei welchem beinahe kein Ruß erzeugt wird, der Verbrennungsdruck niedriger wird, und daher die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 zu dieser Zeit niedriger wird.
Zweitens, wenn die Menge an erzeugtem Rauch, d. h. die Menge an erzeugtem Ruß, im wesentlichen Null wird, wie in 3 gezeigt, nimmt die Mengen an abgegebenen HC und CO zu. Das bedeutet, dass die Kohlenwasserstoffe abgegeben werden, ohne zu Ruß zu wachsen. Das heißt, dass die Kohlenwasserstoffe von offener gerader Kette und aromatischen Kohlenwasserstoffe, welche im Kraftstoff enthalten sind und in 5 gezeigt sind, sich zu einen sauerstoffarmen Zustand abbauen, wenn sie in ihrer Temperatur erhöht werden, was zur Bildung eines Vorläufers an Ruß führt. Als nächstes wird Ruß, welcher hauptsächlich aus Feststoffen von Kohlenatomen besteht, erzeugt. In diesem Fall ist der tatsächliche Herstellungsprozess von Ruß kompliziert. Wie der Vorläufer von Ruß gebildet wird, ist nicht klar, aber wie auch immer der Fall ist, wachsen die in 5 gezeigten Kohlenwasserstoffe durch den Rußvorläufer zu Ruß.
Daher gilt, wie oben erläutert, dass, wenn die Erzeugungsmenge an Ruß im wesentlichen Null wird, die Menge an Abgas von HC und CO zunimmt, wie in 3 gezeigt, jedoch das HC zu dieser Zeit ein Rußvorläufer oder ein Zustand von Kohlenwasserstoffen davor ist.
Diese Betrachtungen basierend auf den Ergebnissen der in 3 und 4A und 4B gezeigten Experimente zusammengefasst, gilt, dass, wenn die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 gering ist, die Menge an erzeugtem Ruß im wesentlichen Null wird. Zu dieser Zeit wird ein Rußvorläufer oder ein Zustand von Kohlenwasserstoffen davor aus der Verbrennungskammer 5 abgegeben. Detailliertere Experimente und Studien wurden darauf durchgeführt. Als Ergebnis wurde gelernt, dass, wenn die Temperatur des Kraftstoffes und des Gases um den Kraftstoff in der Verbrennungskammer 5 unterhalb einer bestimmten Temperatur ist, der Wachstumsprozess an Ruß auf halbem Wege stoppt, d. h., dass überhaupt kein Ruß erzeugt wird, und dass, wenn die Temperatur des Kraftstoffes und seiner Umgebung in der Verbrennungskammer 5 höher als eine bestimmte Temperatur wird, Ruß erzeugt wird.
Die Temperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung ändert sich, wenn der Erzeugungsprozess an Kohlenwasserstoffen im Zustand des Rußvorläufers beendet wird, d. h. bei der obigen bestimmten Temperatur, und zwar in Abhängigkeit von unterschiedlichen Faktoren, wie beispielsweise dem Typ des Kraftstoffes, dem Luft-Kraftstoffverhältnis und dem Kompressionsverhältnis, somit kann nicht gesagt werden, von welchem Grad er ist, jedoch steht diese bestimmte Temperatur zutiefst mit der Erzeugungsmenge von NOx im Zusammenhang. Daher kann diese bestimmte Temperatur als ein bestimmter Grad von der Erzeugungsmenge an NOx bestimmt werden. Das heißt, dass, je größer die EGR-Rate wird, desto niedriger werden die Temperaturen des Kraftstoffes und des ihn umgebenden Gases zum Verbrennungszeitpunkt, und desto niedriger wird die Menge an erzeugtem NOx. Zu dieser Zeit gilt, dass, wenn die Menge an erzeugtem NOx um 10 ppm oder kleiner wird, beinahe jemals kein Ruß erzeugt wird. Daher stimmt die obige bestimmte Temperatur im wesentlichen mit der Temperatur überein, bei welcher die Menge an erzeugtem NOx 10 ppm oder kleiner wird.
Sobald Ruß erzeugt wird, ist es unmöglich ihn durch Nachbehandlung unter Verwendung eines Katalysators zu entfernen, welcher eine Oxidationsfunktion, usw. hat. Entgegengesetzt dazu kann ein Rußvorläufer oder ein Zustand von Kohlenwasserstoffen davor einfach durch Nachbehandlung unter Verwendung eines Katalysators entfernt werden, welcher eine Oxidationsfunktion, usw. hat. In Anbetracht einer Nachbehandlung durch einen Katalysator, welche eine Oxidationsfunktion, usw. hat, gibt es einen extrem großen Unterschied dazwischen, ob die Kohlenwasserstoffe aus der Verbrennungskammer 5 in der Form eines Rußvorläufers oder eines Zustandes davor abgegeben werden, oder aus der Verbrennungskammer 5 in der Form von Ruß abgegeben werden. Das neue Verbrennungssystem, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, basiert auf der Idee des Abgebens der Kohlenwasserstoffe aus der Verbrennungskammer 5 in der Form eines Rußvorläufers oder eines Zustandes davor, ohne die Erzeugung von Ruß in der Verbrennungskammer 5 zuzulassen, und des Bewirkens, dass die Kohlenwasserstoffe durch einen Katalysator oxidiert werden, welcher eine Oxidationsfunktion, usw. hat.
Nun ist es notwendig, um das Wachstum von Kohlenwasserstoffen in dem Zustand vor der Erzeugung von Ruß zu beenden, die Temperatur des Kraftstoffes und des Gases herum zur Zeit der Verbrennung in der Verbrennungskammer 5 auf eine Temperatur zu verringern, welche niedriger als die Temperatur ist, bei welcher Ruß erzeugt wird. In diesem Fall wurde gelernt, dass die Wärmeabsorptionsaktivität des Gases um den Kraftstoff zum Verbrennungszeitpunkt des Kraftstoffes eine extrem große Wirkung beim Verringern der Temperatur des Kraftstoffes und des Gases herum hat.
Das heißt, dass, wenn es nur Luft um den Kraftstoff gibt, der verdampfte Kraftstoff unmittelbar mit dem Sauerstoff in der Luft reagieren und verbrennen wird. In diesem Fall wird die Temperatur von der Luft, welche vom Kraftstoff entfernt ist, nicht so hoch ansteigen. Nur die Temperatur um den Kraftstoff herum wird lokal extrem hoch werden. Das heißt, dass zu diesem Zeitpunkt die Luft, welche vom Kraftstoff entfernt ist, überhaupt nicht so sehr die Verbrennungswärme des Kraftstoffes absorbiert. In diesem Fall werden die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, welche die Verbrennungswärme empfangen, Ruß erzeugen, da die Verbrennungstemperatur lokal extrem hoch wird.
Andererseits ist die Situation etwas anders, wenn es Kraftstoff in einem Mischgas von einer hohen Menge an Inertgas und einer kleinen Menge an Luft gibt. In diesem Fall dispergiert der verdampfte Kraftstoff in der Umgebung und reagiert mit dem in dem Inertgas gemischtem Sauerstoff, um zu verbrennen. In diesem Fall wird die Verbrennungswärme durch das umgebende Inertgas absorbiert, so dass die Verbrennungstemperatur nicht länger so hoch ansteigt. Das heißt, dass es möglich wird, die Verbrennungstemperatur niedrig zu halten. Das heißt, dass das Vorhandensein von Inertgas eine wichtige Rolle beim Unterdrücken der Verbrennungstemperatur spielt. Es ist möglich, die Verbrennungstemperatur durch die Wärmeabsorptionsaktivität des Inertgases niedrig zu halten.
In diesem Fall ist eine Menge an Inertgas erforderlich, welche hoch genug ist um zum Verringern der Temperaturen eine Wärmemenge ausreichend zu absorbieren, und zwar um die Temperaturen des Kraftstoffes und des ihn umgebenden Gases auf eine Temperatur zu verringern, welche niedriger als die Temperatur ist, bei welcher Ruß erzeugt wird. Daher steigt, wenn die Menge an Kraftstoff ansteigt, damit die Menge an erforderlichem Inertgas an. Es ist zu bemerken, dass in diesem Fall gilt, dass, je höher die spezifische Wärme des Inertgases wird, desto stärker die Wärmeabsorptionsaktivität wird. Daher ist das Inertgas vorzugsweise ein Gas mit einer hohen spezifischen Wärme. Anbetracht dessen, da CO₂ und EGR-Gas relativ hohe spezifische Wärmen haben, kann gesagt werden, dass es vorteilhaft ist EGR-Gas als das Inertgas zu verwenden.
6 zeigt die Beziehung zwischen der EGR-Rate und Rauch, wenn der Kühlgrad des EGR-Gases, beim Verwenden des EGR-Gases als ein Inertgas, geändert wird. Das heißt, in 6 zeigt die Kurve A den Fall, bei welchem das EGR-Gas zwangsgekühlt wird, um die Temperatur des EGR-Gases bei ungefähr 90°C aufrechtzuerhalten, die Kurve B zeigt den Fall, bei welchem das EGR-Gas durch eine Kühlvorrichtung mit kleiner Größe gekühlt wird, und die Kurve C zeigt den Fall, bei welchem das EGR-Gas nicht zwangsgekühlt wird.
Wie durch die Kurve A in 6 gezeigt, nimmt die Menge an erzeugtem Ruß beim Zwangskühlen des EGR-Gases einen Spitzenwert an, wenn die EGR-Rate etwas niedriger als 50 wird. In diesem Fall wird beinahe nicht länger Ruß erzeugt, wenn die EGR-Rate auf mindestens ungefähr 55% eingestellt wird.
Andererseits, wie durch die Kurve B in 6 gezeigt, nimmt die Menge an erzeugtem Ruß beim leichten Kühlen des EGR-Gases einen Spitzenwert ein, wenn die EGR-Rate etwas höher als 50 wird. In diesem Fall wird beinahe nicht länger Ruß erzeugt, wenn die EGR-Rate auf mindestes 65% eingestellt wird.
Ferner, wie durch die Kurve C in 6 gezeigt, nimmt die Menge an erzeugtem Ruß bei keinem Zwangskühlen des EGR-Gases einen Spitzenwert ein, wenn die EGR-Rate nahe 55% ist. In diesem Fall wird weiterhin beinahe kein Ruß erzeugt, wenn die EGR-Rate auf mindestens 70% eingestellt wird.
Es ist zu bemerken, dass 6 die Menge an erzeugtem Rauch zeigt, wenn die Maschinenlast relativ hoch ist. Wenn die Maschinenlast kleiner wird, fällt die EGR-Rate etwas, bei welcher die Menge an erzeugtem Ruß einen Spitzenwert einnimmt, und das niedrigere Limit der EGR-Rate, bei welchem weiterhin beinahe kein Ruß erzeugt wird, fällt ebenfalls etwas. Auf diese Weise ändert sich das niedrigere Limit der EGR-Rate, bei welchem weiterhin beinahe kein Ruß erzeugt wird, gemäß dem Kühlgrad des EGR-Gases und der Maschinenlast.
7 zeigt die Mischgasmenge von EGR-Gas und Luft, das Luftverhältnis in dem Mischgas und das EGR-Gasverhältnis in dem Mischgas, welches erforderlich ist um die Temperaturen des Kraftstoffes und des Gases herum zur Verbrennungszeit auf eine Temperatur einzustellen, welche niedriger als die Temperatur ist, bei welcher Ruß im Falle der Verwendung von EGR-Gas als ein Inertgas erzeugt wird. Es ist zu bemerken, dass in 7 die Ordinate die Gesamtmenge an Ansauggas zeigt, welches in die Verbrennungskammer 5 gezogen wird. Die gestrichelte Linie Y zeigt die Gesamtmenge an Ansauggas, welche in der Lage ist in die Verbrennungskammer 5 gezogen werden, wenn keine Turboaufladung durchgeführt wird. Ferner zeigt die Abszisse die erforderliche Last. Z1 zeigt den Niedriglast-Betriebsbereich.
Bezugnehmend auf 7 zeigt das Luftverhältnis, d. h. die Luftmenge in dem Mischgas, die Menge an Luft an, welche notwendig ist um zu bewirken, dass der eingespritzte Kraftstoff komplett verbrannt wird. Das heißt, dass in dem in 7 gezeigten Fall das Verhältnis der Luftmenge und der Menge an eingespritztem Kraftstoff das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis wird. Andererseits zeigt in 7 das EGR-Gasverhältnis, d. h. die EGR-Gasmenge in dem Mischgas, die minimale Menge an EGR-Gas an, welche erforderlich ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases herum auf eine Temperatur einzustellen, welche niedriger als die Temperatur ist, bei welcher Ruß erzeugt wird. Diese EGR-Gasmenge wird in Ausdrücken der EGR-Rate ausgedrückt, und zwar auf mindestens 55%, und in der in 7 gezeigten Ausführungsform ist sie bei mindestens 70%. Das heißt, wenn die Gesamtmenge an in die Verbrennungskammer 5 eingezogenen Ansauggases auf die durchgängige Linie X in 7 eingestellt wird, und wenn das Verhältnis zwischen der Luftmenge und EGR-Gasmenge in der Gesamtmenge an Ansauggas X auf das in 7 gezeigte Verhältnis eingestellt wird, dann nehmen die Temperaturen des Kraftstoffes und des Gases herum eine Temperatur an, welche niedriger als die Temperatur ist, bei welcher Ruß erzeugt wird, und daher wird weiterhin überhaupt kein Ruß erzeugt. Ferner beträgt die Menge an zu dieser Zeit erzeugtem NOx ungefähr 10 ppm oder weniger, und daher wird die Menge an erzeugtem NOx extrem gering.
Wenn die Menge an eingespritztem Kraftstoff zunimmt, nimmt die Wärmemenge, welche zum Verbrennungszeitpunkt erzeugt wird, zu, um so die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases herum auf eine Temperatur aufrechtzuerhalten, welche niedriger als die Temperatur ist, bei welcher Ruß erzeugt wird, wodurch die durch das EGR-Gas absorbierte Wärmemenge erhöht werden muss. Daher, wie in 7 gezeigt, hat die EGR-Gasmenge zuzunehmen, je größer die Menge an eingespritztem Kraftstoff wird. Das heißt, dass die Menge an EGR-Gas zuzunehmen hat, wenn die erforderliche Last höher wird.
Andererseits übersteigt die Gesamtmenge an Ansauggas X, welche zum Unterdrücken der Erzeugung von Ruß erforderlich ist, in dem Lastbereich Z2 von 7 die Gesamtmenge an Ansauggas Y, welche angesaugt werden kann. Daher ist es in diesem Fall notwendig, um die Gesamtmenge an Ansauggas X, welche erforderlich ist um die Erzeugung von Ruß zu unterdrücken, in die Verbrennungskammer 5 zuzuführen, sowohl das EGR-Gas als auch das Ansauggas oder das EGR-Gas aufzuladen oder unter Druck zu setzen. Wenn das EGR-Gas, usw., in dem Lastbereich Z2 nicht aufgeladen oder unter Druck gesetzt wird, stimmt die Gesamtmenge an Ansauggas X mit der Gesamtmenge an Ansauggas Y überein, welche eingenommen werden kann. Daher wird in diesem Fall, um die Rußerzeugung zu unterdrücken, die Luftmenge etwas reduziert, um die EGR-Gasmenge zu erhöhen, und der Kraftstoff wird in einem Zustand, bei welchem das Luft-Kraftstoffverhältnis fett ist, brennbar gemacht.
Wie oben erläutert, zeigt 7 den Fall einer Kraftstoffverbrennung bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis. Bei dem in 7 gezeigten Niedriglast-Betriebsbereich Z1 ist es, sogar wenn die Luftmenge kleiner als die in 7 gezeigte Luftmenge eingestellt wird, d. h., sogar wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis fett eingestellt wird, möglich, die Erzeugung von Ruß zu hemmen und die Menge an erzeugtem NOx um 10 ppm oder kleiner einzustellen. Ferner ist es in dem in 7 gezeigten Niedriglastbereich Z1 möglich, sogar wenn die Luftmenge größer als die in 7 gezeigte Luftmenge eingestellt wird, d. h., wenn der Mittelwert des Luft-Kraftstoffverhältnisses auf ein mageres Verhältnis von 17 bis 18 eingestellt wird, möglich, die Erzeugung von Ruß zu hemmen und die Menge an erzeugtem NOx um 10 ppm oder kleiner einzustellen.
Das heißt, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis fett eingestellt wird, nimmt der Kraftstoff überhand, da jedoch die Kraftstofftemperatur auf eine niedrige Temperatur verringert wird, wächst der in Überhand vorliegende Kraftstoff nicht zu Ruß, und daher wird kein Ruß erzeugt. Ferner wird zu diesem Zeitpunkt nur eine extrem geringe Menge an NOx erzeugt. Andererseits wird, wenn das mittlere Luft-Kraftstoffverhältnis mager ist oder wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis ist, eine geringe Menge an Ruß erzeugt, wenn die Verbrennungstemperatur höher wird, jedoch wird bei der vorliegenden Erfindung die Verbrennungstemperatur auf eine niedrige Temperatur verringert, so dass überhaupt kein Ruß erzeugt wird. Ferner wird nur eine extrem geringe Menge an NOx erzeugt.
Auf diese Weise wird bei der Maschine im Niedriglast-Betriebsbereich Z1, unabhängig vom Luft-Kraftstoffverhältnis, d. h. unabhängig davon, ob das Luft-Kraftstoffverhältnis fett ist oder das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis ist, oder das mittlere Luft-Kraftstoffverhältnis mager ist, kein Ruß erzeugt, und die Menge an erzeugtem NOx wird extrem gering. Daher kann in Anbetracht der Verbesserung des Kraftstoffwirkungsgrades gesagt werden, dass es vorteilhaft ist, das mittlere Luft-Kraftstoffverhältnis mager einzustellen.
Bei dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten neuen Verbrennungssystem ist es jedoch notwendig, die EGR-Rate mindestens auf mehr als ungefähr 55% einzustellen, um gleichzeitig den Ruß und das NOx zu reduzieren. Es ist jedoch nur möglich die EGR-Rate auf mehr als ungefähr 55% einzustellen, wenn die Menge an Ansaugluft gering ist, d. h., wenn die Maschinenlast relativ gering ist. Sobald die Menge an Ansaugluft ein bestimmtes Limit übersteigt, d. h. wenn die Last höher als ein bestimmtes Limit wird, ist es nicht länger möglich die Menge an Ansaugluft zu erhöhen, ohne die EGR-Rate zu verringern. In diesem Fall wird jedoch in dem Beispiel des in 3 gezeigten Experiments, wenn es der EGR-Rate ermöglicht wird von ungefähr 65% zusammen mit der Zunahme der Menge an Ansaugluft stufenförmig abzufallen, d. h., wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis stufenförmig zusammen mit der höher werdenden erforderlichen Last zunimmt, eine hohe Menge an Rauch erzeugt werden. Daher ist es nicht möglich, wenn die erforderliche Last ein bestimmtes Limit übersteigt, die EGR- Rate stufenförmig von ungefähr 65% fallend einzustellen und das Luft-Kraftstoffverhältnis stufenförmig zu erhöhen, wenn die erforderliche Last höher wird.
In diesem Fall ist es zum Verhindern der Erzeugung einer hohen Menge an Rauch notwendig, den Bereich der EGR-Rate von ungefähr 40% auf ungefähr 65%, wo eine hohe Menge an Rauch erzeugt wird, zu überspringen, wenn die erforderliche Last das bestimmte Limit übersteigt. Daher wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die erforderliche Last gering ist, die EGR-Rate auf mindestens über ungefähr 55% aufrechterhalten, und wenn die erforderliche Last höher wird, und es nicht länger möglich ist die EGR-Rate auf über ungefähr 55% aufrechtzuerhalten, wird die EGR-Rate schrittweise fallend auf nicht mehr als ungefähr 50% eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Luft-Kraftstoffverhältnis gleichzeitig schrittweise höher.
Wenn die EGR-Rate oberhalb ungefähr 55% ist, wie oben erläutert, wird die Temperatur des Kraftstoffes und des ihn umgebenden Gases eine Temperatur werden, welche niedriger als die Temperatur ist bei welcher Ruß erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird zunächst eine Verbrennung, d. h. eine Niedrigtemperaturverbrennung, durchgeführt. Im Gegensatz dazu wird, wenn die EGR-Rate auf weniger als ungefähr 50% reduziert wird, die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases höher als die Temperatur werden, bei welcher Ruß erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt kann die erste Verbrennung, d. h. die Niedrigtemperaturverbrennung, nicht länger durchgeführt werden. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wenn die Niedrigtemperaturverbrennung auf diese Weise nicht durchgeführt werden kann, eine zweite Verbrennung, d. h. die herkömmliche normal durchgeführte Verbrennung durchgeführt. Es ist zu bemerken, dass die erste Verbrennung, d. h. die Niedrigtemperaturverbrennung, wie anhand der Erläuterung bis hierhin klar ist, eine Verbrennung bedeutet, bei welcher die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer höher als die Menge an Inertgas ist, bei welcher die Erzeugungsmenge des Rußes einen Spitzenwert einnimmt, und bei welcher beinahe kein Ruß erzeugt wird, während die zweite Verbrennung, d. h. die herkömmliche normal durchgeführte Verbrennung, eine Verbrennung bedeutet, bei welcher die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer kleiner als die Menge an Inertgas ist, bei welcher die Erzeugungsmenge an Ruß einen Spitzenwert einnimmt.
8 zeigt einen ersten Betriebsbereich I, bei welchem die EGR-Rate auf mindestens ungefähr 55% eingestellt wird, und eine erste Verbrennung, d. h. die Niedrigtemperaturverbrennung, durchgeführt wird, und einen zweiten Betriebsbereich II, bei welchem die EGR-Rate auf nicht mehr als ungefähr 50% eingestellt wird, und eine zweite Verbrennung, d. h. die Verbrennung durch das herkömmliche Verbrennungsverfahren, durchgeführt wird. Es ist zu bemerken, dass in 8 die Abszisse L den Niederdruckgrad des Gaspedals 40 zeigt, d. h. die erforderliche Last, und die Ordinate N die Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit zeigt. Ferner zeigt in 8 X(N) eine erste Grenze zwischen dem ersten Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II, während Y(N) eine zweite Grenze zwischen dem ersten Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II zeigt. Der Wechsel des Betriebsbereich vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II wird basierend auf der ersten Grenze X(N) beurteilt, während der Wechsel des Betriebsbereichs vom zweiten Betriebsbereich II zum ersten Betriebsbereich I basierend auf der zweiten Grenze Y(N) beurteilt wird.
Das heißt, wenn die Maschine im ersten Betriebsbereich I und bei der ersten Verbrennung betrieben wird, d. h., wenn eine Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird, wenn die erforderliche Last L die erste Grenze X(N) übersteigt, welche eine Funktion der Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit N ist, beurteilt, dass der Betriebsbereich auf den zweiten Betriebsbereich II gewechselt hat, und die zweite Verbrennung wird auf die erste Verbrennung umgeschaltet. Als nächstes wird, wenn die erforderlich Last L höher als die zweite Grenze Y(N) wird, welche eine Funktion der Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit N ist, beurteilt, dass der Betriebsbereich auf den ersten Betriebsbereich gewechselt hat, und die zweite Verbrennung wird auf die erste Verbrennung umgeschaltet.
Die zwei Grenzen, d. h. die erste Grenze X(N) und die zweite Grenze Y(N) an der Niedriglastseite von der ersten Grenze X(N), werden aus den folgenden zwei Gründen bereitgestellt. Der erste Grund ist, dass an der Hochlastseite des zweiten Betriebsbereichs II die Verbrennungstemperatur relativ hoch ist, und sogar wenn die erforderliche Last L zu diesem Zeitpunkt niedriger als die erste Grenze X(N) wird, kann eine Niedrigtemperaturverbrennung nicht unmittelbar durchgeführt werden. Das heißt, dass, bis die erforderliche Last L beträchtlich niedrig wird, d. h., niedriger als die zweite Grenze Y(N) wird, eine Niedrigtemperaturverbrennung nicht unmittelbar begonnen werden kann. Der zweite Grund ist der, eine Hysterese mit Bezug auf den Wechsel der Betriebsbereiche zwischen dem ersten Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II bereitzustellen.
9 zeigt die Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors 23. Wie in 9 gezeigt, wechselt der Ausgabestrom I des Luft-Kraftstoffverhältnissensors 23 gemäß dem Luft-Kraftstoffverhältnis A/F. Daher ist es möglich, das Luft-Kraftstoffverhältnis anhand des Ausgabestroms I des Luft-Kraftstoffverhältnissensors 23 zu bestimmen.
Als nächstes wird eine Erläuterung auf ein detailliertes Beispiel der Steuerung des Betriebes im ersten Betriebsbereich I und zweiten Betriebsbereichs II mit Bezug auf 10 gegeben.
10 zeigt den Öffnungsgrad des Drosselventils 18, den Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoffverhältnis, den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge mit Bezug auf die erforderliche Last L. Wie in 10 gezeigt, wird im ersten Betriebsbereich I mit der niedrigen erforderlichen Last L der Öffnungsgrad des Drosselventils 18 stufenförmig vom geschlossenen zum vollständig geschlossenen Zustand auf den halb geöffneten Zustand erhöht, wenn die erforderliche Last L höher wird, während der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 stufenförmig vom geschlossenen zum vollständig geschlossenen Zustand zum vollständig geöffneten Zustand erhöht wird, wenn die erforderliche Last L höher wird. Ferner wird bei dem in 10 gezeigten Beispiel im ersten Betriebsbereich I die EGR-Rate auf ungefähr 70% eingestellt und das Luft-Kraftstoffverhältnis auf ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis von 15–18 eingestellt.
Mit anderen Worten werden im ersten Betriebsbereich I der Öffnungsgrad des Drosselventils 18 und der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 so gesteuert, dass die EGR-Rate ungefähr 70% wird, und das Luft-Kraftstoffverhältnis ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis von 15–18 wird. Es ist zu bemerken, dass zu diesem Zeitpunkt das Luft-Kraftstoffverhältnis auf das magere Ziel Luft-Kraftstoffverhältnis gesteuert wird, und zwar durch Korrigieren des Öffnungsgrades des Drosselventils 18, des Öffnungsgrades des EGR-Steuerventils 25 oder der Kraftstoffeinspritzmenge basierend auf dem Ausgabesignal von dem Luft-Kraftstoffverhältnissensor 23. Ferner wird im ersten Betriebsbereich I der Kraftstoff vor einem oberen Totpunktzentrum des Kompressionshubes TDC eingespritzt. In diesem Fall wird der Einspritzzeitpunkt θS später, je höher die erforderliche Last L wird. Der Einspritz vollendungszeitpunkt θE wird ebenfalls später, je später der Einspritzstartzeitpunkt θS wird.
Wie oben erwähnt, wird während des Leerlaufbetriebes das Drosselventil 18 zum Schließen in den vollständig geschlossenen Zustand eingestellt. Zu dieser Zeit wird das EGR-Steuerventil 25 ebenfalls zum Schließen in den vollständig geschlossenen Zustand eingestellt. Wenn das Drosselventil 18 sich in den vollständig geschlossenen Zustand schließt, wird der Druck in der Verbrennungskammer 5 zu Beginn der Kompression gering, so dass der Kompressionsdruck klein werden wird. Wenn der Kompressionsdruck klein wird, wird die Kompressionsarbeitsgröße durch den Kolben 4 klein werden, so dass die Vibration des Maschinenkörpers 1 kleiner wird. Das heißt, dass während des Leerlaufbetriebes das Drosselventils 18 auf den vollständig geschlossenen Zustand geschlossen werden kann, um Vibrationen in dem Maschinenkörper 1 zu unterdrücken.
Wenn andererseits der Maschinenbetriebszustand vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II wechselt, wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 18 so eingestellt, dass er sich schrittweise von dem halb geöffneten Zustand zum vollständig geöffneten Zustand erhöht. Zu diesem Zeitpunkt wird bei dem in 10 gezeigten Beispiel die EGR-Rate so eingestellt, sich schrittweise von ungefähr 70% auf nicht mehr als 40% zu reduzieren, und das Luft-Kraftstoffverhältnis wird schrittweise vergrößert. Das heißt, da die EGR-Rate über den Bereich der EGR-Rate springt, bei welchem eine hohe Menge an Rauch erzeugt wird, wird eine hohe Menge an Rauch nicht länger erzeugt, wenn der Maschinenbetriebsbereich vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II wechselt.
Im zweiten Betriebsbereich II wird die zweite Verbrennung, d. h. die herkömmlich durchgeführte Verbrennung, durchgeführt. Bei diesem Verbrennungsverfahren werden etwas Ruß und NOx erzeugt, jedoch ist der Wärmewirkungsgrad höher als bei einer Niedrigtemperaturverbrennung, und daher wird, wenn der Maschinenbetriebsbereich vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II wechselt, wie in 10 gezeigt, die Einspritzmenge schrittweise reduzierend eingestellt.
Beim zweiten Betriebsbereich II wird das Drosselventil 18, mit Ausnahme von einigen Fällen, im vollständig geöffneten Zustand gehalten, und der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 wird kleiner eingestellt, je höher die erforderliche Last L wird. Daher wird die EGR-Rate kleiner, je höher die erforderliche Last L wird, und das Luft-Kraftstoffverhältnis wird kleiner, je höher die erforderliche Last L wird. Sogar wenn die erforderliche Last L hoch wird, wird hingegen das Luft-Kraftstoffverhältnis auf ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis eingestellt. Ferner wird im zweiten Betriebsbereich II der Einspitzstartzeitpunkt θS nahe dem oberen Totpunktzentrum des Kompressionshubes TDC eingestellt.
Der NOx-Absorber 21, welcher in dem Gehäuse 22 enthalten ist, ist beispielsweise aus Aluminium als ein Träger zusammengesetzt, und führt den Träger weiter, nämlich beispielsweise mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus einem Alkalimetall, wie beispielsweise Kalium K, Natrium Na, Lithium Li oder Caesium Cs, einem alkalischen Erdmaterial, wie beispielsweise Barium Ba oder Calcium Ca und einem seltene Erde Material, wie beispielsweise Lanthan La oder Yttrium Y plus einem Edelmetall, wie beispielsweise Platin Pt. Wenn das Verhältnis aus der Luft und dem Kraftstoff (Kohlenwasserstoffe), welche in den Ansaugdurchgang der Maschine und in den Abgasdurchgang stromaufwärts des NOx-Absorbers zugeführt werden, als ein Luft-Kraftstoffverhältnis des zum NOx-Absorber 21 fließenden einfließenden Abgases bezeichnet wird, führt dieser NOx-Absorber 21 eine Aktivität aus Absorbieren und Freisetzen von NOx aus, d. h. einem Absorbieren von NOx, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des einfließenden Abgases mager ist, und einem Freisetzen des absorbierten NOx, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des einfließenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis oder fett wird. Es ist zu bemerken, dass, wenn kein Kraftstoff (Kohlenwasserstoffe) oder Luft in den Abgasdurchgang stromaufwärts des NOx-Absorbers 21 zugeführt wird, das Luft-Kraftstoffverhältnis des einfließenden Abgases mit dem Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 übereinstimmt, und daher absorbiert in diesem Fall der NOx-Absorber 21 das NOx, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 mager ist, und setzt das absorbierte NOx frei, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis oder fett wird.
Wenn der NOx-Absorber 21 im Abgasdurchgang der Maschine angeordnet ist, führt der NOx-Absorber 21 tatsächlich die NOx-Absorbier- und Freisetzaktivität durch, jedoch ist der detaillierte Mechanismus hinter dieser Absorbier- und Freisetzaktivität abschnittsweise noch nicht klar. Es wird jedoch angenommen, dass diese Absorbier- und Freisetzaktivität durch den in 11A und 11B gezeigten Mechanismus durchgeführt wird. Als nächstes wird eine Erläuterung dieses Mechanismus anhand eines Beispiels des Falles gegeben, bei welchem Platin Pt und Barium Ba auf einem Träger getragen werden, jedoch ist der Mechanismus derselbe, sogar wenn ein anderes Edelmetall, Alkalimetall, Alkalierdmaterial oder seltene Erde Material verwendet wird.
Bei der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung wird eine Verbrennung normalerweise in einem Zustand mit einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 durchgeführt. Wenn die Verbrennung auf diese Weise mit dem Luft-Kraftstoffverhältnis im mageren Zustand durchgeführt wird, ist die Konzentration von Sauerstoff im Abgas hoch. Zu diesem Zeitpunkt setzt sich, wie in 11A gezeigt, der Sauerstoff O₂ auf der Oberfläche des Platins Pt in der Form von O₂ ^– oder O^2– ab. Andererseits reagiert das NO im einfließenden Abgas an der Oberfläche des Platins Pt mit dem O₂ ^– oder O^2– um zu NO₂ zu werden (2NO + O₂ –> 2NO₂). Ein Teil des nächsten produzierten NO₂ wird in dem Absorber absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und wird in dem Absorber in der Form von Nitrationen NO₂ ^–, wie in 11A gezeigt, diffundiert, während es sich mit dem Bariumoxid BaO verbindet. Das NOx wird in dem NOx-Absorber 21 auf diese Weise absorbiert. Solange wie die Konzentration an Sauerstoff in dem einfließenden Abgas hoch ist, wird NO₂ auf der Oberfläche des Platins Pt erzeugt. Solange wie die NOx-Absorptionsfähigkeit des Absorbers nicht gesättigt ist, wird das NO₂ im Absorber absorbiert, und es werden Nitrationen NO₃ ^– erzeugt.
Wenn andererseits das Luft-Kraftstoffverhältnis des einfließenden Abgases fett eingestellt wird, fällt die Konzentration des Sauerstoffs in dem einfließenden Abgas ab, und als Ergebnis fällt die Erzeugungsmenge an NO₂ auf der Oberfläche des Platins Pt ab. Wenn die Erzeugungsmenge von NO₂ abfällt, fährt die Reaktion in der gegengesetzten Richtung fort (NO₃ –> NO₂), und daher werden die Nitrationen NO₃ ^– in dem Absorber in der Form von NO₂ aus dem Absorber freigesetzt. Zu dieser Zeit reagiert das aus dem NOx-Absorber 21 freigesetzte NOx mit der hohen Menge an unverbranntem HC und CO, welche in dem einfließenden Abgas enthalten sind, und wird, wie in 11B gezeigt, reduziert. Wenn auf diese Weise keinerlei NO₂ an der Oberfläche des Platins Pt vorliegt, ist das NO₂ nacheinander aus dem Absorber freigesetzt. Daher wird, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des einfließenden Abgases fett eingestellt wird, das NOx aus dem NOx-Absorber 21 in einer kurzen Zeit freigesetzt. Ferner wird das freigesetzte NOx reduziert, so dass kein NOx in die Atmosphäre entlassen wird.
Es ist in diesem Fall zu bemerken, dass NOx aus dem NOx-Absorber 21 sogar dann freigesetzt wird, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des einfließenden Abgases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis eingestellt wird. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des einfließenden Abgases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis eingestellt wird, braucht es jedoch, da das NOx nur stufenförmig vom NOx-Absorber 21 freigesetzt wird, für das gesamte im NOx-Absorber 21 absorbierte NOx eine etwas längere Zeit, um freigesetzt zu werden.
qwert
Wenn jedoch, wie oben erwähnt, die Maschine im ersten Betriebsbereich I betrieben wird und eine Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird beinahe kein Ruß erzeugt. Anstelle dessen werden die unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus der Verbrennungskammer 5 in der Form eines Rußvorläufers oder einer Form davor abgegeben. Der NOx-Absorber 21 hat jedoch eine Oxidationsfunktion. Daher werden die aus der Verbrennungskammer 5 abgegebenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe so gemacht, dass sie durch den NOx-Absorber 21 gut oxidiert werden.
Andererseits gibt es bzgl. der Fähigkeit des NOx-Absorbers 21 das NOx zu absorbieren ein Limit. Es ist notwendig, das NOx aus dem NOx-Absorber 21 freizusetzen, bevor die Fähigkeit des NOx-Absorbers 21 das NOx zu absorbieren gesättigt ist. Daher ist es notwendig, die Menge an in dem NOx-Absorber 21 absorbierten NOx abzuschätzen. Daher wird bei der vorliegenden Erfindung die Menge A von NOx, welche pro Zeiteinheit absorbiert wird wenn eine erste Verbrennung durchgeführt wird, zuvor in der Form der in 12A gezeigten Abbildung als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit N gefunden, die Menge B von NOx, welche pro Zeiteinheit absorbiert wird, wenn eine zweite Verbrennung durchgeführt wird, wird zuvor in der in 12B gezeigten Abbildung als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit N gefunden, und die Mengen A und B des pro Zeiteinheit absorbierten NOx werden kumulativ addiert, um die NOx-Menge ΣNOx abzuschätzen, welche in dem NOx-Absorber 21 absorbiert wird.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wenn die NOx-Absorptionsmenge ΣNOx einen vorbestimmten erlaubbaren Maximalwert MAX übersteigt, das NOx aus dem NOx-Absorber 21 freigesetzt. Als nächstes wird dies mit Bezug auf 13 und 14 erläutert.
13 zeigt die erforderliche Last L, das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 und die NOx-Absorptionsmenge ΣNOx. Bezugnehmend auf 13 wird im ersten Betriebsbereich I zunächst eine Verbrennung durchgeführt, wie oben erläutert. Zu diesem Zeitpunkt wird das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 etwas mager. Zu diesem Zeitpunkt ist die Erzeugungsmenge von NOx extrem klein, und daher steigt die NOx-Absorptionsmenge ΣNOx Stück für Stück an.
Als nächstes wird, wenn die NOx-Absorptionsmenge ΣNOx den erlaubbaren Maximalwert MAX übersteigt, wenn eine erste Verbrennung durchgeführt wird, wie in 13 gezeigt, das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 zeitweilig auf fett eingestellt. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Erhöhen der Kraftstoffeinspritzung zu diesem Zeitpunkt das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 zeitweilig auf fett eingestellt. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 auf fett eingestellt wird, wird NOx aus dem NOx-Absorber 21 freigesetzt. Wie oben erläutert wird, wenn eine erste Verbrennung durchgeführt wird, d. h. eine Niedrigtemperaturverbrennung, kein Ruß erzeugt, sogar wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 auf fett eingestellt ist, daher ist es möglich, das NOx aus dem NOx-Absorber 21 ohne die Erzeugung von Ruß freizusetzen.
Als nächstes wird, wie in 13 gezeigt, wenn die erforderliche Last L die erste Grenze X(N) übersteigt, und die Maschine im zweiten Betriebsbereich II betrieben wird, eine zweite Verbrennung, d. h. die herkömmlich durchgeführte Verbrennung durchgeführt. Bei der zweiten Verbrennung ist die Erzeugungsmenge an NOx hoch, daher steigt, wenn die zweite Verbrennung begonnen wird, die NOx-Menge ΣNOx rasch an. Als nächstes wird, wenn die NOx-Menge ΣNOx den erlaubbaren Maximalwert MAX übersteigt, wenn die zweite Verbrennung durchgeführt wird, das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 auf fett eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird jedoch, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 durch Erhöhen der Menge an Kraftstoffeinspritzung auf fett eingestellt wird, die Erzeugung der hohen Menge an Ruß beendet.
Daher wird bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die NOx-Absorptionsmenge ΣNOx den erlaubbaren Maximalwert MAX überschreitet, wenn die zweite Verbrennung durchgeführt wird, die zweite Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet, und das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 wird unter der ersten Verbrennung fett gemacht. Wie oben erläutert, gibt es keine Erzeugung von Ruß, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 zum Zeitpunkt der ersten Verbrennung auf fett eingestellt wird. Daher kann, sogar wenn die zweite Verbrennung durchgeführt wird, NOx aus dem NOx-Absorber 21 ohne die Erzeugung von Ruß freigesetzt werden.
Jedoch sollte die Menge an Kraftstoffeinspritzung reduziert werden und die EGR-Rate höher eingestellt werden, um die zweite Verbrennung zur ersten Verbrennung umzuschalten. In diesem Fall kann als die Einspritzmenge jegliche Einspritzmenge in dem in 10 gezeigten ersten Betriebsbereich I verwendet werden. 14 zeigt als ein Beispiel den Fall des Reduzierens der Menge an Kraftstoffeinspritzung auf die minimale Einspritzmenge, welche zum Betreiben der Maschine unter einem fetten Luft-Kraftstoffverhältnis erforderlich ist, beispielsweise die Einspritzmenge, welche zum Leerlaufbetrieb bei einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis erforderlich ist, wenn von der zweiten Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet wird.
Das heißt, dass in dem in 14 gezeigten Beispiel, wenn die NOx-Absorptionsmenge ΣNOx den erlaubbaren maximalen Wert MAX übersteigt, wenn die zweite Verbrennung durchgeführt wird, der Öffnungsgrad des Drosselventils und der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils zum Zeitpunkt des Leerlaufbetriebes auf die Ziel Öffnungsgrade geschlossen werden, wodurch die EGR-Rate auf ungefähr 70% erhöht wird. Ferner wird in dem Zustand bei der auf ungefähr 70% erhöhten EGR-Rate die Einspritzmenge auf die minimale Einspritzmenge reduziert, welche erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 auf fett einzustellen.
Wenn andererseits die Einspritzmenge auf die Einspritzmenge, welche zum Leerlaufbetrieb unter einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis erforderlich ist, auf diese Weise reduziert wird, wird das Ausgabedrehmoment der Maschine scharf abfallen. Daher wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn von der zweiten Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet wird, wie in 14 gezeigt, der Elektromotor 32 angetrieben, damit der Elektromotor 32 ein Ausgabedrehmoment erzeugt, welches im wesentlichen gleich der Reduktionsgröße des Ausgabedrehmoments der Maschine aufgrund der Reduktion der Einspritzmenge entspricht.
Die Ordinate Tr in 15 zeigt das Ausgabedrehmoment der Maschine, während die Abszisse N die Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit zeigt. Die durchgehenden Linien zeigen die Beziehung zwischen dem Maschinenausgabedrehmoment Tr und der Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit N bei derselben Niederdrückgröße des Gaspedals 50. Ferner zeigt die durchgehende Linie A in 15 den Fall, bei welchem die Niederdrückgröße des Gaspedals 50 gleich Null ist, während die durchgängige Linie B den Fall zeigt, bei welchem die Niederdrückgröße des Gaspedals 50 maximal ist. Die Niederdrückgröße des Gaspedals 50 steigt von der durchgängigen Linie A zur durchgängigen Linie B hin an.
In 15 zeigt die gestrichelte Linie C das Ausgabedrehmoment der Maschine, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge auf die Einspritzmenge eingestellt wird, welche zum Leerlaufbetrieb erforderlich ist. Wenn nun angenommen wird, dass die zweite Verbrennung an dem Punkt D von 15 durchgeführt wird, und dass die Kraftstoffeinspritzmenge, welche in diesem Zustand auf die erste Verbrennung umzuschalten ist, auf die Einspritzmenge umgeschaltet wird, welche zum Leerlaufbetrieb unter einem fetten Luft-Kraftstoffverhältnis erforderlich ist, wird das Ausgabedrehmoment Tr der Maschine bei 15 um ΔTr reduziert. Zu diesem Zeitpunkt wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Elektromotor 32 so angetrieben, dass er das Ausgabedrehmoment ΔTr erzeugt, daher wird sich das an der Ausgabewelle 31 erzeugte Ausgabedrehmoment nicht ändern.
16 zeigt die Verarbeitungsroutine für das NOx-Freisetzflag, welches gesetzt wird, wenn NOx aus dem NOx-Absorber 21 freigesetzt werden sollte. Diese Routine wird zu jedem vorbestimmten Zeitintervall ausgeführt.
Bezugnehmend auf 16 wird zunächst bei Schritt 100 beurteilt, ob ein Flag I, welches anzeigt, dass die Maschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet, gesetzt wurde oder nicht. Wenn das Flag I gesetzt wurde, d. h., wenn die Maschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet, fährt die Routine mit Schritt 101 fort, wo die NOx-Absorptionsmenge A pro Zeiteinheit aus der in 12A gezeigten Abbildung berechnet wird. Als nächstes wird bei Schritt 102A zu der NOx-Absorptionsmenge ΣNOx addiert. Als nächstes wird bei Schritt 103 beurteilt, ob die NOx-Absorptionsmenge ΣNOx den erlaubbaren Maximalwert MAX überschritten hat oder nicht. Wenn ΣNOx > MAX ist, fährt die Routine mit Schritt 104 fort, wo eine Verarbeitung zum Setzen des NOx-Freisetzflags für eine vorbestimmte Zeit durchgeführt wird, dann wird ΣNOx bei Schritt 105 auf Null eingestellt.
Wenn andererseits bei Schritt 100 beurteilt wird, dass das Flag I zurückgesetzt wurde, d. h., wenn die Maschine im zweiten Betriebsbereich II arbeitet, fährt die Routine mit Schritt 106 fort, wo die NOx-Absorptionsmenge B pro Zeiteinheit aus der in 12B gezeigten Abbildung berechnet wird. Als nächstes wird bei Schritt 107B zur NOx-Absorptionsmenge ΣNOx addiert. Als nächstes wird bei Schritt 108 beurteilt, ob die NOx-Absorptionsmenge ΣNOx den erlaubbaren Maximalwert MAX überschritten hat oder nicht. Wenn ΣNOx > MAX ist, fährt die Routine mit Schritt 109 fort, wo eine Verarbeitung zum Setzen des NOx-Freisetzflags für eine vorbestimmte Zeit durchgeführt wird, dann wird ΣNOx bei Schritt 110 auf Null eingestellt.
Als nächstes wird eine Erläuterung der Steuerung des Betriebes mit Bezug auf 17 und 18 gegeben.
Bezugnehmend auf 17 und 18 wird zunächst bei Schritt 200 beurteilt, ob das Flag, welches anzeigt, dass die Maschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet, gesetzt wurde oder nicht. Wenn das Flag I gesetzt wurde, d. h., wenn die Maschine im ersten Betriebsbereich I arbeitet, fährt die Routine mit Schritt 201 fort, wo beurteilt wird, ob die erforderliche Last L höher als die in 8 gezeigte erste Grenze X(N) wurde oder nicht.
Wenn L ≤ X(N) ist, fährt die Routine mit Schritt 203 fort, wo der Öffnungsgrad des Drosselventils 18 auf einen Öffnungsgrad gemäß der erforderlichen Last L gesteuert wird, welcher im ersten Betriebsbereich I von 10 gezeigt ist. Als nächstes wird bei Schritt 204 der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 auf einen Öffnungsgrad gemäß der erforderlichen Last L gesteuert, welcher im ersten Betriebsbereich I von 10 gezeigt ist. Als nächstes wird bei Schritt 205 beurteilt, ob das NOx-Freisetzflag gesetzt wurde oder nicht. Wenn das NOx-Freisetzflag nicht gesetzt wurde, fährt die Routine mit Schritt 206 fort, wo die Einspritzmenge, der Einspritz-Startzeitpunkt ΘS und der Einspritz-Vollendungszeitpunkt ΘE gemäß der im ersten Betriebsbereich I von 10 gezeigten erforderlichen Last L gefunden werden, und der Kraftstoff wird basierend auf dasselbe eingespritzt.
Wenn andererseits bei Schritt 201 beurteilt wird, dass L > X(N) ist, fährt die Routine mit Schritt 202 fort, wo das Flag I zurückgesetzt wird. Als nächstes wird bei Schritt 210 beurteilt, ob das NOx-Freisetzflag gesetzt wurde oder nicht. Wenn das NOx-Freisetzflag nicht gesetzt wurde, fährt die Routine mit Schritt 211 fort, wo der Öffnungsgrad des Drosselventils 18 auf einen Öffnungsgrad gemäß der erforderlichen Last L gesteuert wird, welcher im zweiten Betriebsbereich II von 10 gezeigt ist. Das heißt, dass das Drosselventil 18 geöffnet wird. Als nächstes wird bei Schritt 212 der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 auf den Öffnungsgrad gemäß der erforderlichen Last L eingestellt, welcher im zweiten Betriebsbereich II von 10 gezeigt ist. Als nächstes werden bei Schritt 213 die Einspritzmenge, der Einspritz-Startzeitpunkt ΘS und der Einspritz-Vollendungszeitpunkt ΘE gemäß der erforderlichen Last L gefunden, welche im zweiten Betriebsbereich II von 10 gezeigt sind, und der Kraftstoff wird basierend auf dasselbe eingespritzt.
Wenn andererseits bei Schritt 200 beurteilt wird, dass das Flag II zurückgesetzt wurde, d. h., wenn die Maschine im zweiten Betriebsbereich II arbeitet, fährt die Routine mit Schritt 208 fort, wo beurteilt wird, ob die erforderliche Last L kleiner als die in 8 gezeigte zweite Grenze Y(N) wurde. Wenn L ≥ Y(N) ist, springt die Routine zu Schritt 210. Im Gegensatz dazu fährt, wenn L < Y(N) ist, die Routine mit Schritt 209 fort, wo das Flag I gesetzt wird, dann fährt die Routine mit Schritt 203 fort.
Wenn andererseits die erste Verbrennung durchgeführt wird, wenn bei Schritt 205 beurteilt wird, dass das NOx-Freisetzflag gesetzt wurde, fährt die Routine mit Schritt 207 fort, wo die Einspritzmenge, welche erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 fett zu machen, gefunden wird. Ferner wird der im ersten Betriebsbereich I von 10 gezeigte Einspritz-Startzeitpunkt ΘS gefunden, der Einspritz-Vollendungszeitpunkt ΘE wird basierend auf der Einspritzmenge gefunden und der Kraftstoff wird basierend auf dasselbe eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 zeitweilig fett. Während dieses Zeitpunktes wird das im NOx-Absorber 21 absorbierte NOx aus dem NOx-Absorber 21 freigesetzt.
Wenn andererseits die zweite Verbrennung durchgeführt wird, wenn bei Schritt 210 beurteilt wird, dass das NOx-Freisetzflag gesetzt wurde, fährt die Routine mit Schritt 214 fort, wo ein Signal zum Reduzieren des Öffnungsgrades des Drosselventils einmal auf den Zielöffnungsgrad zum Zeitpunkt des Leerlaufbetriebes an den Elektromotor 17 gegeben wird, dann wird er wieder auf den Zielöffnungsgrad erhöht, und zwar gemäß der erforderlichen Last nach dem Verstreichen von einer bestimmten Zeit. Als nächstes wird bei Schritt 215 ein Signal zum Reduzieren des Öffnungsgrades des EGR-Steuerventils einmal auf den Zielöffnungsgrad zum Zeitpunkt des Leerlaufbetriebes an das EGR-Steuerventil 25 gegeben, dann wird er wieder auf dem Zielöffnungsgrad erhöht, und zwar gemäß der erforderlichen Last nach dem Verstreichen von einer vorbestimmten Periode.
Als nächstes wird bei Schritt 216 das derzeitige Maschinenausgabedrehmoment Tr aus der in 15 gezeigten Beziehung basierend auf der Niederdrückgröße L des Gaspedals 50 und der Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit N berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 217 die Reduktionsgröße ΔTr des Maschinenausgabedrehmoments, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge auf die Einspritzmenge zum Zeitpunkt des Leerlaufbetriebes reduziert wird, auf das Ausgabedrehmoment Tm eingestellt, welches durch den Elektromotor 32 zu erzeugen ist. Als nächstes wird bei Schritt 218 der Stromwert Im des Dreiphasen-Wechselstroms berechnet, welcher an den Elektromotor 32 zugeführt wird, damit der Elektromotor 32 das Ausgabedrehmoment Tm erzeugt. Als nächstes wird bei Schritt 219 die Frequenz fm des Dreiphasenwechselstroms, welcher den Elektromotor 32 zuzuführen ist, basierend auf der Maschinenumdrehungs geschwindigkeit N berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 220 ein Dreiphasenwechselstrom eines Stromwertes Im und eine Frequenz fm dem Elektromotor 32 zugeführt, wodurch der Elektromotor 32 angetrieben wird.
Als nächstes wird bei Schritt 221 die Kraftstoffeinspritzmenge gefunden, welche erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer 5 zum Zeitpunkt des Leerlaufbetriebes fett zu machen. Ferner wird der Einspritz-Startzeitpunkt 0S gefunden, welcher im ersten Betriebsbereich I von 10 gezeigt ist, der Einspritz-Vollendungszeitpunkt ΘE wird basierend auf der Einspritzmenge gefunden, und der Kraftstoff wird auf dies basierend eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F in der Verbrennungskammer 5 zeitweilig fett. Während dieser Periode wird das im NOx-Absorber 21 absorbierte NOx aus dem NOx-Absorber 21 freigesetzt.
Als nächstes wird eine Erläuterung auf die Steuerung des Betriebes zum Zeitpunkt eines Beschleunigungsbetriebes und eines Verzögerungsbetriebes gegeben. Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Elektromotor 32 zum Zeitpunkt des Beschleunigungsbetriebes angetrieben, um einen hervorragenden Beschleunigungsbetrieb zu erhalten, sogar während eines Beschleunigungsbetriebes in dem Betriebsbereich, bei welchem der Abgasturbolader 14 nicht arbeitet. Andererseits wird der Elektromotor 32 während eines Verzögerungsbetriebes als ein Generator betrieben, und die erzeugte Leistung wird wiedergewonnen.
19 zeigt eine Verarbeitungsroutine zum Zeitpunkt der Beschleunigung und Verzögerung. Diese Routine wird durch Unterbrechung an vorbestimmten Intervallen ausgeführt.
Bezugnehmend auf 19 wird zunächst bei Schritt 300 beurteilt, ob die Maschine beispielsweise durch die Änderungsgröße ΔL (> 0) der Niederdrückgröße L des Gaspedals 50 beschleunigt wird. Wenn die Maschine beschleunigt, fährt die Routine mit Schritt 201 fort, wo das durch den Elektromotor 32 zu erzeugende Ausgabedrehmoment Tm berechnet wird. Das Ausgabedrehmoment Tm wird höher, je höher die Änderungsgröße ΔL der Niederdrückgröße L des Gaspedals 50 wird, wie in 20 gezeigt. Als nächstes wird bei Schritt 302 der Stromwert Im des Dreiphasenwechselstroms berechnet, welcher dem Elektromotor 32 zuzuführen ist, damit der Elektromotor 32 das Ausgabedrehmoment Tm erzeugt. Als nächstes wird bei Schritt 303 die Frequenz fm des Dreiphasenwechselstroms, welcher dem Elektromotor 32 zuzuführen ist, basierend auf der Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit N berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 304 der Dreiphasenwechselstrom des Stromwertes Im und der Frequenz fm dem Elektromotor 32 zugeführt, wodurch der Elektromotor 32 angetrieben wird. Auf diese Weise wird zum Zeitpunkt eines Beschleunigungsbetriebes das Ausgabedrehmoment des Elektromotors auf das Ausgabedrehmoment der Maschine überlagert.
Als nächstes wird bei Schritt 305 beispielsweise durch die Niederdrückgröße L des Gaspedals 50 und die Maschinenumdrehungsgeschwindigkeit N beurteilt, ob sich die Maschine verzögert. Wenn sich die Maschine verzögert, fährt die Routine mit Schritt 306 fort, wo der Elektromotor 32 zum Betreiben als ein Generator eingestellt wird, und die zu diesem Zeitpunkt erzeugte Leistung wird zum Aufladen der Batterie 36 verwendet.
Wie oben erläutert, werden die zum Zeitpunkt der ersten Verbrennung erzeugten unverbrannten Kohlenwasserstoffe im NOx-Absorber 21 oxidiert. Bei der in 21 gezeigten Ausführungsform werden die unverbrannten Wasserstoffe ferner gut oxidiert, indem der Katalysator 60, welcher eine Oxidationsfunktion hat, welcher aus einem Oxidationskatalysator oder einem Dreiwegekatalysator besteht, im Abgasdurchgang der Maschine stromaufwärts des NOx-Absorbers 21 angeordnet wird. Bei der in 22 gezeigten Ausführungsform wird der Katalysator 60, welcher eine Oxidationsfunktion hat, welcher aus einem Oxidationskatalysator oder Dreiwegekatalysator besteht, im Abgasdurchgang der Maschine stromabwärts des NOx-Absorbers 21 angeordnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, wie oben erwähnt, die Freisetzung von NOx aus dem NOx-Absorber ohne die Erzeugung von Ruß zu bewirken.
Während die Erfindung durch Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, welche aus Darstellungsgründen gewählt wurden, sollte es deutlich sein, dass durch den Fachmann mehrere Modifikationen darauf gemacht werden können, ohne vom grundlegenden Konzept und Umfang der Erfindung, wie durch die Ansprüche bestimmt, abzuweichen.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung, bei welcher eine erste Verbrennung, bei welcher die Menge des rezirkulierten Abgases, welches der Verbrennungskammer zugeführt wird, höher als die Menge von rezirkuliertem Abgas ist, bei welcher die Erzeugungsmenge an Ruß einen Spitzenwert annimmt, und beinahe kein Ruß erzeugt wird, und eine zweite Verbrennung, bei welcher die Menge an rezirkuliertem Abgas, welches der Verbrennungskammer zugeführt wird, kleiner als die Menge an rezirkuliertem Abgas ist, bei welcher die Erzeugungsmenge an Ruß einen Spitzenwert annimmt, selektiv umgeschaltet werden. Wenn NOx aus einem NOx-Absorber freigesetzt werden soll, welcher in einem Abgasdurchgang der Maschine angeordnet ist, wird die zweite Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet, und die Reduktionsgröße des Ausgabedrehmoments der Maschine wird durch das Ausgabedrehmoment eines Elektromotors ausgeglichen.

Claims

Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung, bei welcher eine Erzeugungsmenge an Ruß stufenförmig ansteigt, und dann einen Spitzenwert erreicht, wenn eine Menge an Inertgas in einer Verbrennungskammer ansteigt, und bei welcher ein weiterer Anstieg der Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer dazu führt, dass eine Temperatur von Kraftstoff und umgebenden Gas zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Verbrennungskammer niedriger wird als eine Temperatur zum Erzeugen von Ruß, und daher weiterhin beinahe kein Ruß erzeugt wird, wobei die Maschine enthält: ein Umschaltmittel zum selektiven Umschalten zwischen einer ersten Verbrennung, bei welcher die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer höher als die Menge an Inertgas ist, bei welcher die Erzeugungsmenge an Ruß einen Spitzenwert erreicht, und beinahe kein Ruß erzeugt wird, und einer zweiten Verbrennung, bei welcher die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer kleiner als die Menge an Inertgas ist, bei welcher die Erzeugungsmenge an Ruß einen Spitzenwert erreicht; einen NOx-Absorber, welcher in einem Abgasdurchgang der Maschine angeordnet ist und NOx absorbiert, wenn ein Luft-Kraftstoffverhältnis eines Abgases, welches in den NOx-Absorber fließt, mager ist, wobei der NOx-Absorber ein absorbiertes NOx freisetzt, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, welches in den NOx-Absorber fließt, fett ist oder das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis hat; und ein Antriebsleistungs-Erzeugungsmittel zum Erzeugen einer Antriebsleistung, und zwar getrennt von einer Antriebsleistung der Maschine, wobei, wenn NOx aus dem NOx-Absorber freigesetzt werden soll, wenn die zweite Verbrennung durchgeführt wird, die zweite Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet wird, und das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer fett gemacht wird oder das stöchiometrische Luft- Kraftstoffverhältnis wird, indem eine Menge an Kraftstoff reduziert wird, welcher der Maschine zugeführt wird, und das Antriebsleistungs-Erzeugungsmittel die Antriebsleistung erzeugt.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher das Antriebsleistungs-Erzeugungsmittel einen Elektromotor enthält.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher das Antriebsleistungs-Erzeugungsmittel ein Ausgabedrehmoment erzeugt, welches im wesentlichen gleich einer Reduktionsgröße von einem Ausgabedrehmoment der Maschine aufgrund von einer Reduktion der Kraftstoffmenge ist, welche zugeführt wird, wenn von der zweiten Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet wird, um NOx aus dem NOx-Absorber zu absorbieren.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 3, bei welcher ein Ausgabedrehmoment von der Maschine, welches von einem Betriebszustand der Maschine bestimmt wird, zuvor gespeichert wird, und wobei das Antriebsleistungs-Erzeugungsmittel eine Reduktionsgröße des Ausgabedrehmoments von der Maschine aus dem gespeicherten Ausgabedrehmoment der Maschine berechnet, und ein Ausgabedrehmoment erzeugt, welches im wesentlichen gleich der berechneten Reduktionsgröße des Ausgabedrehmoments von der Maschine ist, wenn von der zweiten Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet wird.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher die zugeführte Kraftstoffmenge auf die Kraftstoffmengenzufuhr reduziert wird, welche zum Leerlaufbetrieb unter einem fetten Luft-Kraftstoffverhältnis oder dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis erforderlich ist, wenn von der zweiten Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet wird, um das NOx aus dem NOx-Absorber freizusetzen.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Verbrennungskammer fett oder auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis eingestellt wird, wenn die erste Verbrennung durchgeführt wird, und NOx aus dem NOx-Absorber freigesetzt werden soll.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher ein Abschätzmittel zum Abschätzen einer Menge von in dem NOx-Absorber absorbierten NOx bereitgestellt ist, und es beurteilt wird, dass NOx aus dem NOx-Absorber freigesetzt werden soll, wenn die durch das Abschätzmittel abgeschätzte Menge an NOx eine vorbestimmte NOx-Menge übersteigt.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher eine Abgasrezirkulationsvorrichtung bereitgestellt ist, um zu bewirken, dass ein aus der Verbrennungskammer abgegebenes Abgas in einem Ansaugdurchgang der Maschine rezirkuliert wird, und das Inertgas ein rezirkuliertes Abgas enthält.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 8, bei welcher eine Abgasrezirkulationsrate mehr als ungefähr 55% beträgt, wenn die erste Verbrennung durchgeführt wird, und eine Abgasrezirkulationsrate mehr als ungefähr 50% beträgt, wenn die zweite Verbrennung durchgeführt wird.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 8, bei welcher die Abgasrezirkulationsvorrichtung mit einem Abgas-Rezirkulationssteuerventil zum Streuern einer Menge des rezirkulierten Abgases bereitgestellt ist, wobei ein Drosselventil in einem Ansaugdurchgang angeordnet ist, und der Öffnungsgrad des Abgas-Rezirkulationssteuerventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils reduziert werden, wenn von der zweiten Verbrennung auf die erste Verbrennung umgeschaltet wird, um das NOx aus dem NOx-Absorber freizusetzen.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher ein Maschinenbetriebsbereich in einen niedriglastseitigen ersten Betriebsbereich und einen hochlastseitigen zweiten Betriebsbereich eingeteilt wird, wobei die erste Verbrennung im ersten Betriebsbereich durchgeführt wird, und die zweite Verbrennung im zweiten Betriebsbereich durchgeführt wird.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher ein Katalysator, welcher eine Oxidationsfunktion hat, in einem Abgasdurchgang der Maschine, entweder an einer Stromaufwärts- oder Stromabwärtsseite des NOx-Absorbers angeordnet ist.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher ein Beurteilungsmittel zum Beurteilen, ob die Maschine beschleunigt oder nicht, bereitgestellt ist, und wobei das Antriebsleistungs-Erzeugungsmittel eine Antriebsleistung erzeugt, wenn beurteilt wird, dass die Maschine beschleunigt.
Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, bei welcher ein Beurteilungsmittel zum Beurteilen, ob die Maschine verzögert, bereitgestellt ist, und wobei das Antriebsleistungs-Erzeugungsmittel einen durch eine Batterie angetriebenen Elektromotor enthält, und der Elektromotor als ein Generator verwendet wird, und eine von dem Generator erzeugte Leistung verwendet wird, um die Batterie aufzuladen, wenn die Maschine verzögert.