DE10111484B4 - Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die
– ein Kraftstoffeinspritzventil (1), das an einem Lufteinlaßanschluß der Brennkraftmaschine (100) angeordnet ist und Kraftstoff vom Lufteinlaßanschluß in Richtung der jeweiligen Zylinder (9) der Brennkraftmaschine (100) einspritzt, und
– Mittel zum Erhöhen der Luftströmungsgeschwindigkeit (10a) im Lufteinlaßanschluß umfaßt, wobei die jeweilige Einspritzöffnung (52) des Kraftstoffeinspritzventils (1) bei oder nahe bei einem durch das Mittel zum Erhöhen der Luftströmungsgeschwindigkeit gebildeten Abschnitt beschleunigter Luftströmung angeordnet ist,
gekennzeichnet durch
– eine Steuereinheit (11) zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung des Kraftstoffeinspritzventils (1) während des Lufteinlaßhubs der Brennkraftmaschine (100), besagte Steuereinheit (11) umfassend
– eine Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung zum Einstellen des Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkts des Kraftstoffeinspritzventils (1) auf einen Zeitpunkt vor Auftritt der maximalen Luftstromgeschwindigkeit, wenn die Luftströmungsgeschwindigkeit im Lufteinlaßanschluß vergleichsweise niedrig ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine und insbesondere auf eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die ein an einem Lufteinlaßrohr angeordnetes Kraftstoffeinspritzventil dazu veranlaßt, während des Lufteinlaßhubs zerstäubten Kraftstoff einzuspritzen und zuzuführen.
  • 2. STAND DER TECHNIK
  • Zur Zeit werden die Umweltschutzanforderungen für Kraftfahrzeuge, die eine Abgasvorschrift und eine Kraftstoffersparnisvorschrift umfassen, zunehmend schärfer. Um die Abgaseigenschaft und die Kraftstoffersparnis zu verbessern, wurden deshalb verschiedene Brennkraftmaschinen wie etwa ein Magerverbrennungsmotor und ein Direkteinspritzmotor vorgeschlagen.
  • Der obenerwähnte Direkteinspritzmotor erfordert viele Änderungen gegenüber einem Basismotor wie beispielsweise neben der Forderung nach einem Kolbenkopf mit einer spezifischen Konfiguration auch die Forderung nach neuen Peripheriegeräten und führt zu dem Problem, dass sich die Herstellungskosten erhöhen. Aus diesem Grund werden die Entwicklungsaktivitäten zur Verbesserung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine, insbesondere durch Einsatz eines Magerverbrennungsmoters, fortgesetzt.
  • Der Magerverbrennungsmotor ist ein Motor, der für die Verbrennung eines verarmten Luft-/Kraftstoffgemischs entwickelt wurde, wobei in einem solchen Motor durch mehrere Kraftstoffeinspritzventile, wovon jeweils eines für jeden Zylinder vorgesehen ist, also über ein Mehrpunkt-Einspritzsystem (MPI-System), synchron mit dem Lufteinlasshub Kraftstoff in die Zylinder eingespritzt wird, wobei die Verarmung des Luft-/Kraftstoffgemischs verwirklicht wird und außerdem ein entzündbares fettes Luft-/Kraftstoffgemisch ausschließlich um die Zündkerze konzentriert wird, um in dieser Weise eine Verbesserung der Abgaseigenschaft und der Kraftstoffersparnis zu erzielen.
  • Ferner ist es zur Verbesserung der Abgaseigenschaft und der Kraftstoffersparnis bei einer solchen Brennkraftmaschine erforderlich, die Qualität und die Bildung des Luft-/Kraftstoffgemisches in den jeweiligen Zylindern zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden verschiedenartige technische Maßnahmen zur Verbesserung der Verbrennung in Brennkraftmaschinen vorgeschlagen.
  • Beispielsweise schlägt die DE 44 39 921 A1 zur Vergleichmäßigung der Verteilung des Kraftstoff/Luft-Gemischs in dem Zylinder und zur Beschleunigung der Verbrennung vor, Taumelströmungen in dem Zylinder zu erzeugen. Der von einem Einspritzventil eingespritzte Kraftstoff kollidiert vor der Zerstäubung mit einem Einlassventil. Der zerstäubte Kraftstoff strömt in den Zylinder von einer Seite des Einlassventils, die näher zu dem Kraftstoffeinspritzventil liegt. Andererseits treten aus Beipasskanälen Luftströmungen mit hoher Geschwindigkeit aus, die in den Zylinder von einer Seite des Einlassventils einströmen, die näher zu der Zündkerze angeordnet sind. Die auf diese Weise erzeugten Taumelströmungen fördern die Verteilung des Gemisches innerhalb der Brennkammer.
  • Die US 5 640 941 A offenbart zur Verbesserung der Verbrennung eine Brennkraftmaschine, in der ein geschichtetes Kraftstoffluftgemisch und eine Taumelströmung erzeugt werden. Ein Taumelströmungssteuerungsventil befindet sich in dem Luftansaugrohr stromaufwärts von dem Kraftstoffeinspritzventil und erzeugt einen Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit. Der Kraftstoff, der von dem Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wird, wird in diesen Hochgeschwindigkeitsluftstrom, der von dem Taumelströmungssteuerungsventil erzeugt wurde, eingebracht. Dadurch entsteht innerhalb des Zylinders ein Luftstrom mit kraftstoffreichen und kraftstoffarmen Regionen. Der Luftstrom in dem Zylinder zirkuliert dabei um eine Achse, die im Wesentlichen lotrecht zu der Betriebsachse des Kolbens ist.
  • Die JP 11-13 585 A und die JP 11-159 424 A geben als geeignete Maßnahmen zur Verbesserung der Verbrennung eine Verkleinerung des Tröpfchendurchmessers des durch das Kraftstoffeinspritzventil eingespritzten Kraftstoff auf weniger als 70 μm und eine Verkleinerung des Tröpfchendurchmessers des eingespritzten Kraftstoffs mittels Mehrfachschlitz-Einspritzöffnungen in dem Kraftstoffeinspritzventil und Kraftstoffeinspritzung im Mittelabschnitt des Lufteinlassrohrs durch Vorsehen einer (durch Düsenverlängerung) nach vorn eingesetzten Einspritzöffnung an.
  • Nun ist der Stand der Technik gemäß JP 11-13 585 A und JP 11-159 424 A auf den oben Bezug genommen wurde, darauf gerichtet, die Abgaseigenschaft und die Kraftstoffersparnis durch Verkleinern des Tröpfchendurchmessers des eingespritzten Kraftstoffs und ferne durch Versetzen der Einspritzöffnung nach vorn zu verbessern, weil die Ablagerung des eingespritzten Kraftstoffs etwa an der Einlassöffnung und an den Zylindern die Abgaseigenschaft verschlechtert, mit anderen Worten, darauf, die Frage der Benetzung mit Kraftstoff zu lösen.
  • Obwohl durch das Verkleinern des Tröpfchendurchmessers des eingespritzten Kraftstoffs die Verschlechterung der Abgaseigenschaft aufgrund der Ablagerung des eingespritzten Kraftstoffs etwa an den Zylindern vermieden wird, besteht jedoch aufgrund dessen, dass die kinetische Energie des zerstäubten eingespritzten Kraftstoffs im Vergleich zu jener des eingespritzten Kraftstoffs mit dem üblichen Tröpfchendurchmesser klein ist und somit die sogenannte Penetrationskraft des eingespritzten Kraftstoffs nach der Einspritzung vom Kraftstoffeinspritzventil und vor der Ankunft im Zylinder ebenfalls klein ist, weiterhin ein Problem insofern, dass bis zur Ankunft des eingespritzten Kraftstoffs im Zylinder Zeit vergeht.
  • Die Erfinder erkannten das Problem, dass die oben erwähnte Zeitverzögerung es erschwert, unter dem MPI-Kraftstoffeinspritzsystem den Kraftstoff unmittelbar nach dem Lufteinlasshub einzuspritzen, also dass der Kraftstoff früher eingespritzt werden muss, und die Notwendigkeit, zur Lösung des Problems eine geeignete Gegenmaßnahme zu ergreifen. Der Stand der Technik, auf den oben Bezug genommen wurde, berücksichtigt lediglich die Frage der Benetzung mit Kraftstoff, zieht jedoch in keinster Weise die Aufhebung der Zeitverzögerung in Betracht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Lösung der obengenannten Probleme, wobei eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin besteht, unter einem MPI-Kraftstoffeinspritzsystem eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die die Qualität und die Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs in Zylindern verbessert.
  • Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Steuervorrichtung gemäß Patentanspruch 1 erfüllt.
  • Eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die die obengenannte Aufgabe erfüllt, umfasst grundsätzlich Kraftstoffeinspritzventile, die bei einem Lufteinlassrohr der Brennkraftmaschine angeordnet sind und Kraftstoff vom Lufteinlaßrohr weg in Richtung der jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine einspritzen, und Mittel zum Erhöhen der Luftstromgeschwindigkeit (z. B. Verwirbelungssteuerventil), die die Luftstromgeschwindigkeit im Lufteinlaßrohr erhöht, wobei zum einen die Kraftstoffeinspritzzeit der Kraftstoffeinspritzventile synchron mit oder unmittelbar nach einem Lufteinlaßhub der Brennkraftmaschine gesteuert wird und zum anderen die jeweiligen Einspritzöffnungen der Kraftstoffeinspritzventile bei Abschnitten mit beschleunigter Luftströmung oder nahe bei Abschnitten mit beschleunigter Luftströmung, die durch die Mittel zum Erhöhen der Luftstromgeschwindigkeit gebildet sind, angeordnet sind, wodurch die durch das Zerstäuben des eingespritzten Kraftstoffs hervorgerufene Zeitverzögerung aufgehoben wird.
  • Gemäß der so aufgebauten Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine kann aufgrund dessen, daß zum einen der unter dem MPI-Kraftstoffeinspritzsystem eingespritzte Kraftstoff die durch die Mittel zur Erhöhung der Luftstromgeschwindigkeit gebildete beschleunigte Luftströmung ausnutzt und zum anderen die Kraftstoffeinspritzzeit mit dem Lufteinlaßhub genau synchronisiert wird, beispielsweise gerade dann, wenn Einschränkungen hinsichtlich der Gestaltung und/oder der Anbringungsposition der Kraftstoffeinspritzventile bestehen, sowohl die durch das Zerstäuben des eingespritzten Kraftstoffs bedingte Zeitverzögerung aufgehoben werden als auch die Qualität und die räumliche Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs in den jeweiligen Zylin dern verbessert werden, wodurch die Abgaseigenschaft und die Kraftstoffersparnis verbessert werden.
  • Ferner ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzzeit der Kraftstoffeinspritzventile durch Festlegen eines Kraftstoffeinspritzungsstartzeitpunkts oder eines Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkts während des Lufteinlaßhubs bestimmt wird, oder genauer, daß die Kraftstoffeinspritzzeit über den Kraftstoffeinspritzungsstartzeitpunkt oder den Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkt so gesteuert wird, daß ein optimales Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird, und daß die Kraftstoffeinspritzzeit angenähert auf die Periode, in der die maximale Luftstromgeschwindigkeit auftritt, gelegt wird, wenn die Luftstromgeschwindigkeit im Lufteinlaßrohr hoch ist, und die Kraftstoffeinspritzzeit vor die Periode, in der die maximale Luftstromgeschwindigkeit auftritt, gelegt wird, wenn die Luftstromgeschwindigkeit im Lufteinlaßrohr niedrig ist.
  • In der so aufgebauten erfindungsgemäßen Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine kann aufgrund dessen, daß die Festlegung der Kraftstoffeinspritzzeit in Abhängigkeit von der Luftstromgeschwindigkeit im Lufteinlaßrohr verändert wird, auch dann, wenn eine von der Motordrehzahl und der Motorlast abhängige Änderung der Verbrennung hervorgerufen wird, eine Kraftstoffeinspritzung in einem ein optimales Luft-/Kraftstoffgemisch bildenden Bereich verwirklicht werden und, so daß eine Kraftstofftransportverzögerung vermieden werden sowie die Qualität und die räumliche Bildung eines Luft-/Kraftstoffgemischs in den Zylindern weiter verbessert werden können.
  • Ferner ist eine weitere Ausführungsform der Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit Mitteln zur Berechnung eines die Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine repräsentierenden Drehzahlschwankungsindexes versehen ist und die Einstellung der Kraftstoffeinspritzzeit der Kraftstoffeinspritzventile anhand des Rechenergebnisses der Mittel zur Berechnung des Drehzahlschwankungsindexes korrigiert wird.
  • In der so aufgebauten erfindungsgemäßen Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine kann aufgrund dessen, daß die Kraftstoffeinspritzventile in bezug auf ein Signal von den Mitteln zur Berechnung des Drehzahlschwankungsindexes angesteuert werden, auch dann, wenn die Kraftstoffeinspritzzeit von jener, die ein optimales Luft-/Kraftstoffgemisch bildet, abweicht, die Abweichung korrigiert werden, um die Zuverlässigkeit der Brennkraftmaschine zu garantieren.
  • Darüber hinaus ist eine nochmals weitere Ausführungsform der Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kraftstoffeinspritzventil mit einem verlängerten Ventilhauptkörper versehen ist, so daß der gesamte, von den jeweiligen Einspritzöffnungen eingespritzte Kraftstoff den Zylindern zugeführt wird, daß ein Abstand von den jeweiligen Einspritzöffnungen zu den Zylindern in Abhängigkeit von dem ver kleinerten Tröpfchendurchmesser des von den jeweiligen Einspritzöffnungen einzuspritzenden Kraftstoffs festgelegt ist, daß die Ventilkörper in den jeweiligen Kraftstoffeinspritzventilen mit hoher Geschwindigkeit angetrieben werden, um dadurch die Zerstäubung zu verstärken sowie den Tröpfchendurchmesser des von den Einspritzöffnungen eingespritzten Kraftstoffs vom Start bis zum Abschluß der Einspritzung konstant zu halten, und ferner dadurch, daß der Tröpfchendurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs auf weniger als etwa 70 μm gesteuert wird.
  • Die so aufgebaute erfindungsgemäße Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine kann an verschiedenartige Brennkraftmaschinen angepaßt werden, auch dann, wenn der verfügbare Tröpfchendurchmesser in Abhängigkeit von der Leistung der Brennkraftmaschinen in Verbindung mit den oben erläuterten Kraftstoffeinspritzventilen mit dem verlängerten Ventilhauptkörper, durch den die Transportverzögerung des eingespritzten Kraftstoffs aufgrund der Zerstäubung vermieden wird, unterschiedlich ist. Ferner werden bei der vorliegenden Steuervorrichtung in Verbindung mit der oben erläuterten Kraftstoffeinspritzzeit der zerstäubte Kraftstoff in kürzerer Zeit und zu einem optimalen Zeitpunkt eingespritzt, die Zeitverzögerung der Ankunft des eingespritzten Kraftstoffs aufgrund der Verkleinerung des Tröpfchendurchmessers des eingespritzten Kraftstoffs vermieden und außerdem die Qualität und die räumliche Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs in den jeweiligen Zylindern weiter verbessert. Darüber hinaus können mit der oben erläuterten Struktur der Kraftstoffeinspritzventile durch begrenzte Modifikation beispiels weise des Basismotors die Herstellungskosten der Vorrichtung gesenkt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine Darstellung der Gesamtstruktur eines Motorsteuerungssystems, in das eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung eingebaut ist;
  • 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel und der Magerverbrennungsgrenze in der in 1 gezeigten Steuervorrichtung zeigt;
  • 3A ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Kraftstoffeinspritzventils, wie es in 1 enthalten ist;
  • 3B ist eine längs der Linie IIIB-IIIB in 3A aufgenommene Querschnittsansicht;
  • 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Einspritzimpulsbreite des in den 3A und 3B gezeigten Kraftstoffeinspritzventils und der dynamischen Kraftstoffeinspritzmenge pro 1000 Einspritzungen zeigt;
  • 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Durchflußzeit der Einspritzung und der Ventilkörperhubhöhe bzw. dem Tröpfchendurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs zeigt;
  • 6 ist ein Diagramm der Tröpfchendurchmesserverteilung des von dem in den 3A und 3B gezeigten Kraftstoffeinspritzventil und von einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventil eingespritzten Kraftstoffs;
  • 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Tröpfchendurchmesser des von dem in den 3A und 3B gezeigten Kraftstoffeinspritzventil eingespritzten Kraftstoffs und der Tröpfchenströmungsgeschwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffs zeigt;
  • 8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Tröpfchendurchmesser und der Tröpfchenströmungsgeschwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffs zum Zeitpunkt des Starts der Einspritzung und des Abschlusses der Einspritzung in Verbindung mit dem in den 3A und 3B gezeigten Kraftstoffeinspritzventil und dem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventil zeigt;
  • 9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der mit dem in den 3A und 3B gezeigten Kraftstoffeinspritzventil erzielten Tröpfchenankunftszeit des eingespritzten Kraftstoffs und dem Abstand vom Einspritzpunkt bzw. dem hierzu äquivalenten Kurbelwinkel zeigt;
  • 10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem durch das in den 3A und 3B gezeigte Kraftstoffeinspritzventil erzielten Tröpfchendurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs und dem Abstand vom Einspritzpunkt zeigt;
  • 11A ist ein Simulationsdiagramm der Luftstromgeschwindigkeit bei Einführung eines Verwirbelungssteuerventils in einen Lufteinlaßkanal, das mit einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventil versehen ist;
  • 11B ist ein Simulationsdiagramm der Luftstromgeschwindigkeit bei Einführung eines Verwirbelungssteuerventils in einen Lufteinlaßkanal, das mit dem in den 3A und 3B gezeigten Kraftstoffeinspritzventil versehen ist;
  • 12A ist ein Diagramm, das zulässige und unzulässige Bereiche hinsichtlich des Abschlusses des Eintritts des eingespritzten Kraftstoffs in einen Zylinder und der Erfüllung der geforderten Abgaseigenschaft im Hinblick auf die Beziehung zwischen dem Tröpfchendurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs und der Luftstromgeschwindigkeit des in den 3A und 3B gezeigten Kraftstoffeinspritzventils zeigt;
  • 12B ist ein Diagramm, das die HC-Gesamtemission für die in 12A gezeigten vier Zustände a, b, c und d der Tröpfchen des eingespritzten Kraftstoffs in bezug auf einen Sollwert der Phase 1 zeigt;
  • 13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und der Luftstromgeschwindigkeit für eine Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung in der Steuervorrichtung aus 1 zeigt;
  • 14 ist ein dreidimensionales Kennfeld zur Bestimmung des optimalen Werts des Abschlußzeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung für die Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung in der Steuervorrichtung aus 1;
  • 15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Öffnungsgrad eines Verwirbelungssteuerventils und der Luftstromgeschwindigkeit für die Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung in der Steuervorrichtung aus 1 zeigt;
  • 16 ist ein dreidimensionales Kennfeld zur Bestimmung des optimalen Öffnungsgrads eines Verwirbelungssteuerventils für die Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung in der Steuervorrichtung aus 1;
  • 17 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Abschlußwinkel der Einspritzung und dem die Verbrennungsstabilität einer Brennkraftmaschine repräsentierenden Drehzahlschwankungsindex für Mittel zum Berechnen des Drehzahlschwankungsindexes in der Steuervorrichtung aus 1 zeigt;
  • 18 ist ein Ablaufdiagramm für die Suche des Minimalwerts des Drehzahlschwankungsindexes für die Mittel zum Berechnen des Drehzahlschwankungsindexes in der Steuervorrichtung aus 1; und
  • 19 ist ein Diagramm, das zum Vergleich ein Beispiel zeigt, bei dem an einem Lufteinlaßkanal ein weiteres Einspritzventil angebracht ist.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im folgenden wird mit Bezug auf die Zeichnung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine erläutert.
  • 1 zeigt eine Darstellung der Gesamtstruktur eines Motorsteuerungssystems, das mit einer Steuervorrichtung 11 versehen ist, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. In jedem der Mehrventil-Zylinder 9, 9, ... einer Brennkraftmaschine 100, die durch mehrere Zylinder gebildet ist, sind eine Zündkerze 12 sowie eine Verbrennungskammer angeordnet, die durch ein Lufteinlaßventil 6, ein Abgasventil 7 und einen Kolben 8, der sich in dem Zylinder 9 hin- und herbewegt, gebildet ist. Ferner sind an jedem der Zylinder 9, 9, ... ein Lufteinlaßkanal 18 und ein Abgaskanal 19, die von dem Lufteinlaßventil 6 und dem Abgasventil 7 geöffnet bzw. geschlossen werden, angebracht, wobei der Lufteinlaßkanal 18 als verzweigter Lufteinlaßkanal mit zwei Lufteinlaßrohren konfiguriert ist. Ferner sind in dem Lufteinlaßkanal 18 ein Einlaßluftsensor 2 zur Messung der Durchflußmenge der Einlaßluft und ein Drosselklappensensor 4 zur Messung des Öffnungsgrads einer Drosselklappe 3 an jeweils geeigneten Stellen angeordnet. Darüber hinaus sind ein Kühlwassertemperatursen sor 14 zur Messung der Motorkühlwassertemperatur und ein Kurbelwinkelsensor 13 zur Messung der Motordrehzahl an jeweils geeigneten Stellen der Brennkraftmaschine 100 angeordnet.
  • Die Luft, die über einen vor dem Lufteinlaßkanal 18 angeordneten Luftreiniger 20 eingeführt wird, wird nach dem Einstellen ihrer Durchflußmenge durch die Drosselklappe 3 mit Benzin gemischt, das von einem Kraftstoffeinspritzventil (Einspritzvorrichtung 1) in einem vorgegebenen Winkel eingespritzt wird, und in die jeweiligen Zylindern 9, 9, ... eingeführt. Vor jedem der Zylinder 9, 9, ... der Brennkraftmaschine 100 ist die Einspritzvorrichtung 1 angeordnet, um so die Kraftstoffversorgung des Mehrpunkt-Einspritzsystems (MPI-Systems) zu bilden.
  • Zum anderen strömt der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 21, nachdem er durch eine Kraftstoffpumpe 22 angesaugt und unter Druck gesetzt wurde, durch eine mit einem Druckregler 15 versehene Kraftstoffleitung 23 und wird in einen Kraftstoffeinlaß der Einspritzvorrichtung 1 eingeführt, wobei gleichzeitig der überschüssige Kraftstoff zum Kraftstofftank 21 zurückgeleitet wird. Ferner wird durch einen Kanister 16 verhindert, daß Kraftstoff, der im Kraftstofftank 21 verdunstet, an die Umgebung abgegeben wird.
  • Das Abgas des in den jeweiligen Zylindern 9, 9, ... verbrannten Kraftstoffs wird durch den Abgaskanal 19 in einen katalytischen Konverter (nicht gezeigt) eingeführt und nach der Reinigung ausgestoßen. An einer geeigneten Stelle im Abgaskanal 19 ist ein Luft-/Kraftstoffverhältnissensor 17 angeordnet, der lineare Signale bezüglich des Luft-/Kraftstoffverhältnisses ausgibt, die zur Sauerstoffdichte im Abgas in einem weiten Bereich proportional sind.
  • Die Ausgangssignale, die die Einlaßluftmenge repräsentieren und von dem Einlaßluftsensor 2 erhalten werden, die Ausgangssignale von dem Drosselklappensensor 4 und weitere Ausgangssignale wie etwa von dem Kühlwassertemperatursensor 14, dem Kurbelwinkelsensor 13 und dem Luft-/Kraftstoffverhältnissensor 17 werden in eine Steuervorrichtung (Steuereinheit) 11 eingegeben.
  • Die Steuereinheit 11 ist entweder in der Fahrzeugkarosserie oder in dem Motorraum angeordnet, führt anhand elektrischer Signale, die von den verschiedenen Sensoren ausgegeben werden und Fahrbedingungen der Brennkraftmaschine 100 repräsentieren, vorbestimmte Rechenschritte aus und gibt zur Verwirklichung einer optimalen Steuerung für die jeweiligen Fahrbedingungen entsprechende Signale aus, die die Einspritzvorrichtungen 1, die Kraftstoff einspritzen und zuführen, öffnen und schließen, die Zündkerzen 12 ansteuern und ferner ein Leerlauf-Steuerventil (ISC-Ventil) 5 öffnen und schließen, das die Motordrehzahl während des Leerlaufs steuert, so daß eine Solldrehzahl angenommen wird, und neben der Kraftstoffpumpe 22 eine Verwirbelungssteuerventil-Antriebseinrichtung 10 steuert. Ferner steuert die Steuereinheit 11 die Kraftstoffeinspritzung für jeden Zylinder 9, 9, ..., wobei der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung der jewei ligen Einspritzvorrichtungen 1 mit dem Lufteinlaßhub der jeweiligen Zylinder 9, 9, ... abgestimmt wird.
  • Ferner ist die Steuereinheit 11 beispielsweise aus einer E/A-Funktionseinheit als Eingabe-/Ausgabeschnittstelle, einer Einheit zur Ausführung arithmetischer Operationen MPU, einer Speichereinheit RAM und ROM, in denen viele Steuerprogramme und Daten gespeichert sind, und einem Zeitgeber/Zähler gebildet.
  • Genauer, eine Kraftstoffeinspritzmenge-Einstelleinrichtung (nicht gezeigt) berechnet anhand der erfaßten Einlaßluftmenge eine Soll-Kraftstoffmenge, die von einer betreffenden Einspritzvorrichtung 1 dem entsprechenden Zylinder 9 zuzuführen ist, sowie ein einzustellendes Luft-/Kraftstoffverhältnis, führt eine Berechnung der Soll-Einspritzimpulsbreite (Zeitspanne der Ventilöffnung der Einspritzvorrichtung 1) anhand der berechneten Soll-Kraftstoffmenge und des Gradienten der Durchflußmenge sowie der Sperr-Einspritzimpulsbreite, die die Einspritzkennlinie der Einspritzvorrichtung 1 repräsentiert, durch und öffnet das Ventil für die Zeit, die dem auf der bestimmten Soll-Einspritzimpulsbreite basierenden Einspritzimpuls entspricht. Ferner führt eine Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung (nicht gezeigt) beispielsweise anhand der Einlaßluftmenge und der Motordrehzahl eine Berechnung der Einspritzzeit der Einspritzvorrichtung durch und synchronisiert diese mit dem Lufteinlaßhub der Brennkraftmaschine 100 und stellt außerdem die Kraftstoffeinspritzzeit während des Lufteinlaßhubs auf einen optimalen Zeitpunkt ein, was weiter unten erläutert wird, und gibt, basierend auf dem festgelegten Zeitpunkt, Steuersignale nicht nur an die Einspritzvorrichtung 1 und die Zündkerze 12, sondern auch an eine mechanische Vorrichtung aus, die als Verwirbelungssteuerventil-Antriebseinrichtung 10 bezeichnet wird. Ferner ist die Steuereinheit 11 zur Erhöhung der Robustheit des Motorsteuerungssystems zudem mit einer Einrichtung zur Berechnung des Drehzahlschwankungsindexes (nicht gezeigt) versehen, die eine Berechnung des für die Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine repräsentativen Drehzahlschwankungsindexes durchführt, was weiter unten erläutert wird.
  • Die Verwirbelungssteuerventil-Antriebseinrichtung 10 öffnet und schließt ein Verwirbelungssteuerventil 10a, das als Einrichtung zur Erhöhung der Luftstromgeschwindigkeit zur Erzeugung einer Taumelströmung (taumelnde Verwirbelung) dient und vor der Einspritzvorrichtung 1 angeordnet ist. Das Verwirbelungssteuerventil 10a engt den Durchtrittsquerschnitt des Lufteinlaßkanals 18 ein, indem es diesen in Schließrichtung ansteuert, und erhöht die Luftstromgeschwindigkeit durch die Taumelströmung (taumelnde Verwirbelung), wodurch der sich an der Wandfläche wie etwa der Wandfläche des Lufteinlaßkanals 18 absetzende Kraftstoff verringert wird und außerdem der Transport des von der Einspritzvorrichtung 1 in den Zylinder 9 eingespritzten Kraftstoffs beschleunigt wird, was ebenfalls weiter unten erläutert wird.
  • Eine Verbesserung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine mit den obenerwähnten Einspritzvorrichtungen 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei unter dem MPI-System ein optimales Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird, wird dadurch erzielt, daß erstens die Zeitverzögerung, bis der eingespritzte Kraftstoff in den Zylinder 9 eingeführt ist, vermieden wird und zweitens die Qualität und die räumliche Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs im Zylinder 9 verbessert werden.
  • Die zuerst angeführte Zeitverzögerung, bis der eingespritzte Kraftstoff in den Zylinder 9 eingeführt ist, wird (1) durch die Transportverzögerung des eingespritzten Kraftstoffs nach der Einspritzung des Kraftstoffs von der Einspritzvorrichtung 1, bis dieser tatsächlich im Zylinder 9 aufgenommen ist, und (2) durch die Berechnungs- und Prozeßverzögerung bis zum Zeitpunkt, zu dem die Soll-Kraftstoffmenge, beispielsweise anhand der von dem Einlaßluftsensor 2 erfaßten Einlaßluftmenge, berechnet ist und der Kraftstoff von der Einspritzvorrichtung 1 tatsächlich eingespritzt ist, gebildet. Dann ist es zur Vermeidung einer Transportzeitverzögerung des eingespritzten Kraftstoffs erforderlich, Kraftstoff anhand der jüngsten Daten des Einlaßluftsensors 2 und synchron mit dem Lufteinlaßhub des Zylinders 9 einzuspritzen und den gesamten von der Einspritzvorrichtung 1 in den Zylinder eingespritzten Kraftstoff während des Lufteinlaßhubs einzusaugen.
  • Demgemäß ist es zur Erfüllung der obigen Anforderungen erforderlich, die Kraftstoffeinspritzung der Einspritzvorrichtung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt innerhalb des Lufteinlaßhubs des Zylinders 9 abzuschließen. Der gesamte, von der Einspritzvor richtung 1 eingespritzte Kraftstoff muß nämlich innerhalb einer kurzen Periode zwischen dem Öffnen und dem Schließen des Lufteinlaßventils 6 angesaugt werden, wobei die Einspritzvorrichtung 1 in diesem Fall angesichts der Krafteinspritzzeit (Einspritzimpulsbreite) eine größere Kraftstoffmenge als gewöhnlich (die Soll-Kraftstoffmenge) in einer kürzeren Periode als gewöhnlich einspritzen muß.
  • 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel innerhalb des Lufteinlaßhubs des Zylinders unter einer vorgegebenen Fahrbedingung und der Magerverbrennungsgrenze bei einer Erhöhung der Kraftstoffeinspritzmenge von der Einspritzvorrichtung als Vorbedingung für das Einspritzen der Soll-Kraftstoffmenge in kürzerer Periode, wobei die Magerverbrennungsgrenze durch Auswertung der Ausstoßmenge an Kohlenwasserstoff (HC) und der Drehzahlschwankung des Motors bestimmt wird. Wie aus 2 ersichtlich ist, wird ein Bereich, der ein optimales Luft-/Kraftstoffgemisch bildet, erhalten, der in einem vorgegebenen Bereich des Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkels die Magerverbrennungsgrenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses von etwa 22 auf etwa 29 erweitert, wobei eine Verbesserung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine 100 durch die Magerverbrennung auch dann erzielt werden kann, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht wird.
  • Hierbei kann die Erhöhung der Kraftstoffeinspritzmenge der Einspritzvorrichtung 1 erzielt werden, indem (1) der Durchmesser einer Einspritzöffnung der Einspritzvorrichtung 1 vergrößert wird, (2) der Druck des Kraftstoffs erhöht wird und (3) der Ventilkörper der Einspritzvorrichtung 1 mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird.
  • Unter diesen drei Maßnahmen muß, die Maßnahmen (1) und (2) betreffend, die einfach die Einspritzmenge erhöhen, deren Anwendung näher untersucht werden, da während des Leerlaufs und der Beschleunigung der Übergang des Luft-/Kraftstoffverhältnisses zu einem überfetten Verhältnis erschwert wird, wenn die Soll-Kraftstoffmenge nicht dann erzielt wird, wenn die Durchflußmenge auf der Seite des niedrigen Einspritzimpulses liegt.
  • Demgemäß wird bei der vorliegenden Erfindung durch Vorsehen einer Einrichtung zum Antreiben des Ventilkörpers der Einspritzvorrichtung 1 mit hoher Geschwindigkeit, was die weiter unten erläuterte Maßnahme (3) darstellt, das Erzielen der Einspritzung der Soll-Kraftstoffmenge in einer kürzeren Periode innerhalb des Lufteinlaßhubs erleichtert, wobei die Verbesserung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine durch Aufhebung der Zeitverzögerung erreicht wird. Ferner wird das Zerstäuben des Kraftstoffs vom frühen Stadium der Ventilöffnung an verbessert, wenn der Ventilkörper mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird.
  • Nun wird die als zweites angeführte Verbesserung der Qualität und der Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs im Zylinder 9 dadurch erzielt, daß einerseits das Luft-/Kraftstoffgemisch mager gemacht wird und andererseits ein entzündbares fettes Luft-/Kraftstoffgemisch ausschließlich in der Umgebung der Zündkerze 12 konzentriert wird, wobei hierfür die Verkleinerung des Tröpfchendurchmessers des eingespritzten Kraftstoffs eine der effektivsten Maßnahmen ist. Zum anderen besitzt der zerstäubte eingespritzte Kraftstoff eine geringe kinetische Energie im Vergleich zu jener bei einem eingespritzten Kraftstoff, der den gewöhnlichen Tröpfchendurchmesser aufweist und bis zur Ankunft im Zylinder 9 Zeit benötigt, was eine Zeitverzögerung hervorruft, weshalb bei der vorliegenden Erfindung die Zerstäubung des von der Einspritzvorrichtung 1 eingespritzten Kraftstoffs verstärkt wird und außerdem die Einspritzöffnung der Einspritzvorrichtung 1 nach vorn, zur Seite des Lufteinlaßventils 6 hin, versetzt ist und ferner die Einspritzöffnung bei oder nahe bei dem Abschnitt beschleunigter Luftströmung, der durch das Verwirbelungssteuerventil 10a gebildet wird, was weiter unten erläutert wird, angeordnet ist, wodurch die obenerwähnte Zeitverzögerung, beispielsweise auch dann, wenn es Einschränkungen hinsichtlich der Düsenverlängerung der Einspritzvorrichtung 1 oder ihrer Anbringungsposition gibt, aufgehoben wird. Ferner wird in Verbindung mit der Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung neben der Kraftstoffeinspritzzeit innerhalb des Lufteinlaßhubs ein Einspritzzeitpunkt zur Bildung eines optimalen Luft-/Kraftstoffgemischs festgelegt und das entzündbare fette Luft-/Kraftstoffgemisch ausschließlich in der Umgebung der Zündkerze 12 gesammelt, wodurch eine Verbesserung der Qualität und der Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs im Zylinder verwirklicht wird.
  • 3A ist eine vertikale Querschnittsansicht der Einspritzvorrichtung 1, wobei die Einspritzvorrichtung 1 als gewöhnliches Magnet-Einspritzventil ausgebildet ist, das beispielsweise aus einem Ventilkörper 50, einem Verwirbeler (Kraftstoffverwirbelungselement) 53, der (das) als Kraftstoffzerstäubungseinrichtung dient, einer Magnetspule 55, einer das Ventil schließenden Vorspannungsfeder 56, einer Kolbenstange 57 und einem Ventilhauptkörper 58 gebildet ist, der eine Einspritzöffnung 52 und eine Ventilsitzfläche 51 umfaßt.
  • Wenn aufgrund der Steuersignale von der Steuereinheit 11 Strom durch die Magnetspule 55 fließt, wird die Kolbenstange 57 angezogen und verschiebt sich zwischen den Ventilkörper-Führungsabschnitten 54a und 54b, wobei sich der mit der Kolbenstange 57 fest verbundene Ventilkörper 50 von der Ventilsitzfläche 51 abhebt und die Einspritzöffnung 52 öffnet.
  • Wie in 3B gezeigt ist, ist der Verwirbeler 53 an seiner Grundseite mit vier Kraftstoffverwirbelungsrillen 53a, ... versehen, die zum Ventilkörper 50 ausgerichtet sind, wobei die sich jeweils gegenüberliegenden Kraftstoffverwirbelungswellen 53a so angeordnet sind, daß sie sich nicht auf gerader Linie befinden, und die jeweiligen Kraftstoffverwirbelungsrillen 53a ferner zum Ventilkörper 50 hin schräg verlaufen.
  • Der Kraftstoff in der Einspritzvorrichtung 1, der durch den Ventilkörper 58 strömt, passiert die Kraftstoffverwirbelungsrillen 53a, ..., verwirbelt sich in Richtung der Einspritzöffnung 52 und wird nach seiner Zerstäubung in den Zylinder 9 in zwei Richtungen eingespritzt, wie in 19 gezeigt ist, wodurch eine Verkleinerung des Tröpfchendurchmessers des eingespritzten Kraftstoffs vom frühen Ventilöffnungsstadium des Ventilkörpers 50 an erreicht wird. Zum anderen wird dann, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird, die Kolbenstange 57 durch die Vorspannungskraft der das Ventil schließenden Vorspannungsfeder 56 verschoben, wobei der Ventilkörper 50 mit der Ventilsitzfläche 51 in Kontakt kommt und die Einspritzöffnung 52 verschlossen wird.
  • Ferner wird neben der Zerstäubung durch den Verwirbeler 53 in der Einspritzvorrichtung 1 die Anziehungskraft der Magnetspule 55 erhöht, um dadurch den Ventilkörper 50 mit hoher Geschwindigkeit in Öffnungsrichtung anzutreiben, und außerdem die das Ventil schließende Vorspannungsfeder 56 unterstützt, um dadurch den Ventilkörper 50 mit hoher Geschwindigkeit in Schließrichtung anzutreiben, wodurch der Druck in der Einspritzvorrichtung 1 und der Öffnungsquerschnitt an der Einspritzöffnung 52 durch die hohe Antriebsgeschwindigkeit des Ventilkörpers 50 in kürzerer Zeit erreicht werden können, wodurch die Kurzzeiteinspritzung, während der eine größere Menge an Kraftstoff als gewöhnlich (die Soll-Kraftstoffmenge) in einer kürzeren Periode als gewöhnlich eingespritzt wird, und die Verbesserung des Zerstäubens von Kraftstoff vom frühesten Ventilöffnungsstadium an verwirklicht werden. Dies ist dadurch begründet, daß dann, wenn der Ventilkörper 50 mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird, die Hubgeschwindigkeit des Ventilkörpers 50 erhöht wird, wodurch das Durchtrittsvolumen der Kraftstoffverwirbelungsrillen 53a in Tiefenrichtung in kürzerer Zeit erhalten wird und eine starke Wirbelströmung, die durch die Kraftstoffverwirbelungsrillen 53a geht und für die Zerstäubung erforderlich ist, in kürzerer Zeit als gewöhnlich erzielt wird.
  • Die 4 bis 10 zeigen Kraftstoffeinspritzmengenkennlinien der Einspritzvorrichtung 1, wobei 4 die Beziehung zwischen der Einspritzimpulsbreite und der durch jeweils 1000 Einspritzungen erhaltenen dynamischen Kraftstoffeinspritzmenge zeigt, 5 die Beziehung zwischen der Durchflußzeit der Einspritzung, der Hubhöhe des Ventilkörpers 50 bzw. dem Tröpfchendurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs zeigt und 6 die Tröpfchendurchmesserverteilung des eingespritzten Kraftstoffs zeigt.
  • Wie in 4 gezeigt ist, wird die Sperr-Einspritzimpulsbreite T bei der Einspritzvorrichtung 1, die den Ventilkörper 50 mit hoher Geschwindigkeit antreibt, (wie durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist) bei gleichbleibendem Gradienten der Durchflußmenge von etwa 0,6 ms auf etwa 0,2 ms verkürzt und die dynamische Kraftstoffeinspritzmenge erhöht, ohne die statische Durchflußmenge im Vergleich zu einer herkömmlichen Einspritzvorrichtung (wie durch eine punktierte Linie gezeigt ist) und einer bezüglich der Zerstäubung verbesserten Einspritzvorrichtung mit einem Verwirbeler 53, deren Ventilkörper 50 jedoch nicht mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird, (wie durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist) erhöht.
  • Das ausgezeichnete Verhalten im Hinblick auf die ungültige Einspritzimpulsbreite T und die dynamische Kraftstoffeinspritzmenge der Einspritzvorrichtung 1, die den Ventilkörper 50 mit hoher Geschwindigkeit antreibt, im Vergleich zur herkömmlichen Einspritzvorrichtung wird ferner dadurch belegt, wie in 5 gezeigt ist, daß die Hubzeit des Ventilkörpers 50 bei der Einspritzvorrichtung 1, die den Ventilkörper 50 mit hoher Geschwindigkeit an treibt, (wie durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist) im Vergleich zur herkömmlichen Einspritzvorrichtung (wie durch eine punktierte Linie gezeigt ist) verkürzt ist und das Zeitintervall zwischen dem Heben und dem Senken verlängert ist.
  • Ferner betragen im Hinblick auf den Tröpfchendurchmesser unter Berücksichtigung der Durchflußzeit der Einspritzung sowohl bei der Einspritzvorrichtung 1, die den Ventilkörper 50 mit hoher Geschwindigkeit antreibt, (wie durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist) als auch bei der herkömmlichen Einspritzvorrichtung (wie durch eine punktierte Linie gezeigt ist) und bei der Einspritzvorrichtung mit verbesserter Zerstäubung, bei der der Tröpfchendurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs durch Weiterentwicklung des Verwirbelers 53 vom frühen Öffnungsstadium des Ventilkörpers 50 an verkleinert wird, die mittleren Tröpfchendurchmesser, die durch den mittleren Sauter-Durchmesser (SMD = Sauter's Mean Diameter) definiert sind, etwa 30 μm, wie in 5 gezeigt ist. Jedoch betragen die Tröpfchendurchmesser bei der herkömmlichen Einspritzeinrichtung in einem bestimmten Zeitraum (beispielsweise für etwa 0,5 ms) nach Start der Einspritzung etwa 100 μm. Zum anderen betragen die Tröpfchen durchmesser bei der Einspritzvorrichtung 1 mit dem mit hoher Geschwindigkeit angetriebenen Ventilkörper und bei der Einspritzvorrichtung mit verbesserter Zerstäubung weniger als etwa 70 μm, und zwar dadurch, daß die Kombination aus dem Verwirbeler 53 und dem mit hoher Geschwindigkeit angetriebenen Ventilkörper 50 oder das bloße Vorsehen des Verwirbelers 53 dazu beitragen, den Tröpfchendurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs vom frühen Öffnungsstadium des Ventilkörpers 50 an zu verkleinern. Wie in 6 gezeigt ist, belegen ferner die Tröpfchendurchmesser von etwa 30 μm bei der Einspritzvorrichtung 1 mit dem mit hoher Geschwindigkeit angetriebenen Ventilkörper und bei der Einspritzvorrichtung mit verbesserter Zerstäubung den Hauptteil im Vergleich zur herkömmlichen Einspritzvorrichtung, was zeigt, daß der Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen noch gleichmäßiger gehalten wird.
  • Wie aus der in den 7 und 8 gezeigten Beziehung zwischen dem Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen und der Strömungsgeschwindigkeit der eingespritzten Tröpfchen hervorgeht, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffs dann, wenn die Luftstromgeschwindigkeit in dem Lufteinlaßkanal 18 konstant ist, ab, da der Tröpfchendurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs abnimmt (siehe 7). Die Strömungsgeschwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffs bei der Einspritzvorrichtung 1 mit dem mit hoher Geschwindigkeit angetriebenen Ventilkörper und der Einspritzvorrichtung mit verbesserter Zerstäubung beträgt bei Einspritzungsstart nämlich etwa 6 m/s, also weniger als die Strömungsgeschwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffs bei der herkömmlichen Einspritzvorrichtung bei Einspritzungsstart von 10 m/s (siehe 8).
  • Diese Tendenz ist mitentscheidend, insbesondere dann, wenn die Luftstromgeschwindigkeit im Lufteinlaßkanal 18 niedrig ist und die Ankunftszeit eines eingespritzten Tröpfchens eher durch die Strömungsgeschwindigkeit der eingespritzten Tröpfchen selbst als durch die Luftstromgeschwindigkeit beeinflußt wird, wobei die Ankunftszeit der eingespritzten Tröpfchen bei der Einspritzvorrichtung 1 gegenüber jener bei der herkömmlichen Einspritzvorrichtung verlängert ist, wie aus der Beziehung zwischen der Ankunftszeit der eingespritzten Tröpfchen, dem Abstand vom Einspritzpunkt und dem äquivalenten Kurbelwinkel ersichtlich ist. Genauer, wenn der gerade Abstand (Abstand vom Einspritzpunkt) von dem der Einspritzöffnung 52 entsprechenden Einspritzpunkt 90 μm beträgt, beträgt die Ankunftszeit der eingespritzten Tröpfchen bei der herkömmlichen Einspritzvorrichtung mit einer Strömungsgeschwindigkeit der eingespritzten Tröpfchen bei Einspritzungsstart von 10 m/s etwa 9 ms, während andererseits bei der Einspritzvorrichtung 1 mit einer Strömungsgeschwindigkeit der eingespritzten Tröpfchen von 5 m/s die Ankunftszeit der eingespritzten Tröpfchen etwa 8 ms beträgt. Es besteht eine im wesentlichen gleiche Beziehung zwischen der Ankunftszeit der eingespritzten Tröpfchen und dem äquivalenten Kurbelwinkel in bezug auf die gleiche Motordrehzahl, wie im unteren Abschnitt in 9 gezeigt ist.
  • Dementsprechend führt zusätzlich zum Vorsehen des Verwirbelers 52 und des mit hoher Geschwindigkeit angetriebenen Ventilkörpers 50 eine Anordnung der Einspritzvorrichtung 1, bei der der gerade Abstand von der Einspritzöffnung 52 zum Lufteinlaßventil 6 auf etwa die Hälfte des Abstands bei der herkömmlichen Einspritzvorrichtung verkürzt wird, zur Aufhebung der Transportverzögerung des eingespritzten Kraftstoffs. Deshalb ist die Einspritzvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem verlängerten Ventilkörper 50 als ein Mittel zur Verkürzung des Abstands zwischen dem Zylinder 9 und der Einspritzöffnung 52 entwickelt. Da ferner, wie in 8 gezeigt ist, die Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeiten der eingespritzten Tröpfchen bei Einspritzungsstart und Einspritzungsabschluß bei der Einspritzvorrichtung 1 im Vergleich zu den Strömungsgeschwindigkeiten der eingespritzten Tröpfchen bei Einspritzungsstart und bei Einspritzungsabschluß klein sind, kann durch die im wesentlichen gleiche Korrektursteuerung vom Einspritzungsstart bis zum Einspritzungsabschluß die Zeitverzögerung einschließlich der Transportverzögerung des eingespritzten Kraftstoffs aufgehoben werden, wobei deren Steuerung im Vergleich zur Steuerung bei der herkömmlichen Einspritzvorrichtung, die eine nicht lineare Korrektur vom Einspritzungsstart bis zum Einspritzungsabschluß erfordert, vereinfacht wird.
  • Wie in 10 gezeigt ist, kann der Abstand L vom Einspritzpunkt, der einen geraden Abstand von der Einspritzöffnung 52 zum Lufteinlaßventil 6 repräsentiert, ferner anhand des Tröpfchendurchmessers des eingespritzten Kraftstoffs festgelegt wer den. Jedoch kann im Hinblick auf die verschiedenen Fahrbereiche in einem Fahrbereich mit einer vergleichsweise niedrigen Motordrehzahl und einer niedrigen Motorlast der Abstand L wie oben angegeben festgelegt werden, obwohl die Ankunftszeit der eingespritzten Tröpfchen in diesem Fahrbereich eher durch die Luftstromgeschwindigkeit als durch die Strömungsgeschwindigkeit der eingespritzten Tröpfchen selbst beeinflußt wird, jedoch bestehen in anderen Fahrbereichen Einschränkungen im Zusammenhang mit der Struktur der Einspritzvorrichtung und deren Anbringungsposition. Beispielsweise ist die Verlängerung der Einspritzvorrichtung 1 auf etwa 30–50 mm begrenzt, selbst dann, wenn beispielsweise ein Führungselement eingeführt wird, um das Spiel während der Verschiebung des verlängerten Ventilkörpers 50 zu verringern und dennoch die Genauigkeit der Durchflußmenge auf demselben Niveau wie bei der herkömmlichen Einspritzvorrichtung zu halten. Ferner ist es dann, wenn die Anbringungsposition einer Einspritzvorrichtung dicht an die Kopfseite des Zylinders 9 verlegt werden kann, möglich, die Begrenzung der Düsenverlängerung aufzuheben, jedoch entstehen an der Kopfseite des Zylinders 9 Probleme wie beispielsweise eine Überschneidung mit dem Gleitabschnitt des Zylinders 9 und mit Bauelementen in der Umgebung des Zylinders 9, weshalb eine besondere Struktur zur Lösung des Problems erforderlich ist, die nicht zu einem weiteren Problem, nämlich einem entsprechenden Anwachsen der Herstellungskosten, führt.
  • Deshalb verwendet die Einspritzvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Verwirbelungssteuerventil 10a als Einrichtung zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffs, wobei die Anbringungsposition der Einspritzvorrichtung 1 in bezug auf den Lufteinlaßkanal 18 an der herkömmlichen Stelle beibehalten wird, um dadurch die Zeitverzögerung des eingespritzten Kraftstoffs aufzuheben.
  • Die 11A und 11B sind Diagramme, die Simulationsergebnisse der Luftströmung (Luftstromgeschwindigkeit) zeigen, wenn das Verwirbelungssteuerventil 10a im Lufteinlaßkanal 18 angeordnet ist.
  • Wie in 11A gezeigt ist, ist die Einspritzöffnung der herkömmlichen Einspritzvorrichtung in einem Bereich niedriger Luftstromgeschwindigkeit und von der Wirbelströmung entfernt positioniert, weshalb das erfaßte Tröpfchen "a" nur schwerlich von der Wirbelströmung erfaßt wird. Wie in 11B gezeigt ist, ist dagegen die Einspritzöffnung 52 der Einspritzvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bei oder nahe bei einem durch die Wirbelströmung hervorgerufenen Bereich hoher Luftstromgeschwindigkeit positioniert, weshalb nahezu sämtliche eingespritzte Tröpfchen "b" von der Wirbelströmung mitgerissen werden. Daraus wird deutlich, daß die Zeitverzögerung des eingespritzten Kraftstoffs, auch dann, wenn der Abstand L vom Einspritzpunkt von einer idealen Position entfernt ist, aufgehoben werden kann.
  • Ferner zeigt 12A die Beziehung zwischen dem Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen und der Luftstromgeschwindigkeit und zeigt einen Bereich, in dem der gesamte eingespritzte Kraftstoff während des Lufteinlaßhubs in den Zylinder 9 eingesaugt wird, und einen Bereich, in dem die Abgaseigenschaft unter einer vorgegebenen Fahrbedingung (beispielsweise: Motordrehzahl 800 min–1, Motorlast 34,6 kPa) und bei Anordnung der Einspritzvorrichtung 1 mit der verlängerten Düse an einer vorgegebenen Position der geforderten Eigenschaft genügt.
  • Hierbei kann unter der Annahme von Punkt a für die herkömmliche Einspritzvorrichtung, bei der der Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen groß ist, da deren Penetrationskraft groß ist und die Luftstromgeschwindigkeit niedrig ist (beispielsweise der Luftstromgeschwindigkeit unter Normalbedingung entspricht), von Punkt c für die herkömmliche Einspritzvorrichtung, bei der der Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen groß ist, da deren Penetrationskraft groß ist und die Luftstromgeschwindigkeit hoch ist (die Luftstromgeschwindigkeit beispielsweise durch Vorsehen etwa des Verwirbelungssteuerventils erhöht ist), von Punkt c für die Einspritzvorrichtung 1, bei der der Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen klein ist, da deren Penetrationskraft klein ist und die Luftstromgeschwindigkeit niedrig ist, und von Punkt d für die Einspritzvorrichtung 1, bei der der Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen klein ist, da deren Penetrationskraft klein ist und die Luftstromgeschwindigkeit hoch ist, die obige Beziehung zwischen dem Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen und der Luftstromgeschwindigkeit in drei Bereiche klassifiziert werden, wie in 12A gezeigt ist, nämlich in den Bereich I, in dem während des Lufteinlaßhubs nicht der gesamte Kraftstoff in den Zylinder 9 eingesaugt werden kann, den Bereich II, in dem die Abgaseigenschaft der geforderten Eigenschaft nicht genügt, und in den Bereich III, in dem während des Lufteinlaßhubs der gesamte Kraftstoff in den Zylinder 9 eingesaugt wird und die Abgaseigenschaft der geforderten Eigenschaft genügt.
  • Zuerst ist, den Bereich I betreffend, bei dem das Einlassen des eingespritzten Kraftstoffs in den Zylinder 9 während des Einlaßlufthubs eher durch die Strömungsgeschwindigkeit der eingespritzten Tröpfchen selbst als durch die Luftstromgeschwindigkeit gesteuert wird, wenn der Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen groß ist, und andernfalls, wenn der Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen klein ist, durch die Luftstromgeschwindigkeit gesteuert wird, da die Strömungsgeschwindigkeit der eingespritzten Tröpfchen herabgesetzt ist, folglich eine im wesentlichen nicht proportionale Grenzlinie festgelegt.
  • Zum anderen können, den Bereich II betreffend, bei Vergleich der Abgaseigenschaften der Punkte a, b, c und d mit beispielsweise der Gesamt-HC-Ausstoßmenge im Hinblick auf die Phase I des North American Exhaust Gas Measurement Mode die Punkte a und c der Ziel-HC-Ausstoßmenge von 0,2 (g/Meile) für die herkömmliche LEV-Vorschrift genügen, jedoch kann die andere Ziel-HC-Ausstoßmenge von 0,1 (g/Meile) der weitaus strengeren ULEV-Vorschrift nur von dem Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen und der Luftstromgeschwindigkeit, die im Punkt d definiert sind, erreicht werden. Deshalb kann dann, wenn der Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen klein ist und deren Strömungsgeschwindigkeit nur gering beeinflußt wird, das geforderte Leistungsmerkmal nicht erreicht werden, wenn die eingespritzten Tröpfchen von der Luftströmung erfaßt werden. Die Grenzlinie des Bereich II ist im Hinblick auf das oben Dargelegte festgelegt.
  • Demgemäß wird dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffs eher durch die Luftstromgeschwindigkeit als durch die Strömungsgeschwindigkeit der eingespritzten Tröpfchen selbst gesteuert wird, die Einspritzöffnung 52 der Einspritzvorrichtung 1 zur Erfüllung der geforderten Abgaseigenschaft seitlich von dem Lufteinlaßventil 6 versetzt und bei oder nahe bei dem Bereich beschleunigter Luftströmung, der durch das Verwirbelungssteuerventil 10a, das die Einrichtung zur Erhöhung der Luftstromgeschwindigkeit repräsentiert, gebildet wird, angeordnet, wodurch die Zeitverzögerung der Ankunft der eingespritzten Tröpfchen aufgehoben wird, da die Zeitverzögerung, bis der gesamte eingespritzte Kraftstoff in den Zylinder eingeführt ist, nicht unbedingt durch Verkürzen des geraden Abstands von der Einspritzöffnung 52 zum Lufteinlaßventil 6 kompensiert werden kann.
  • Im folgenden wird erläutert, wie die Qualität und die Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs im Zylinder 9 durch die Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung verbessert werden.
  • Die Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform bewirkt, daß die Kraftstoffeinspritzung synchron mit dem Lufteinlaßhub ausgeführt wird, so daß die Zeitverzögerung aufgehoben wird, und führt außerdem eine Berechnung einer Soll-Einspritzimpulsbreite T1out anhand der Soll-Kraftstoffmenge durch, die über die Einlaßluftmenge, das Luft-/Kraftstoffverhältnis und die Einspritzmengenkennlinien der Einspritzvorrichtung 1 bestimmt wird, subtrahiert die Soll-Einspritzimpulsbreite T1out von einem Zeitintervall T1end zwischen einem Referenzsignalwinkel θ IJED, der für jeden Zylinder 9, 9, ... an einer vorgegebenen Position erzeugt wird und durch den Kurbelwinkelsensor 13 erfaßt wird, und einem Einspritzungsabschlußwinkel θ IJED, der durch eine Einrichtung wie etwa ein Kennfeld mit Variablen wie etwa der Motordrehzahl und der Motorlast im voraus festgelegt wird, und berechnet ein Zeitintervall θ T1spt bis zum Einspritzungsstart aus dem Referenzsignalwinkel θ STB, wobei der Einspritzungsstart durch eine sogenannte Einspritzungsabschluß-Zeitsteuerung so gesteuert wird, daß über den Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkt(-winkel) ein optimales Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird. Zusätzlich wird zur Bildung eines optimalen Luft-/Kraftstoffgemischs ferner die Einstellung der Kraftstoffeinspritzzeit der Einspritzvorrichtung 1 in Abhängigkeit von dem Maximalwert der Luftstromgeschwindigkeit im Lufteinlaßkanal 18 modifiziert, was weiter unten erläutert wird.
  • 13 zeigt die Änderung der Luftstromgeschwindigkeit während des Lufteinlaßhubs durch Anwendung der Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel bezogen auf TDC in der Nähe des Starts des Lufteinlasses und der Luftstromgeschwindigkeit und die Ände rung unter der Fahrbedingung A mit einer Motordrehzahl von 2000 min–1 und einer Motorlast (einem absoluten Druck im Lufteinlaßkanal) von 74,7 kPa als durchgezogene Linie und eine weitere Änderung unter der Fahrbedingung B mit einer Motordrehzahl von 800 min–1 und einer Motorlast (einem absoluten Druck im Lufteinlaßkanal) von 34,6 kPa als gestrichelte Linie, wobei der betrachtete Motor ein 6-Zylinder-Motor ist, dessen Hubraum 2 Liter beträgt.
  • Die Transportstrecke des eingespritzten Kraftstoffs von der Einspritzvorrichtung bis in die Nähe der Zündkerze 12 ist im wesentlichen konstant, obwohl sie durch die Motordrehzahl geringfügig beeinflußt wird. Zum anderen wird die Luftstromgeschwindigkeit durch die Motordrehzahl und die Motorlast beeinflußt, wobei dann, wenn die Motordrehzahl hoch ist und die Motorlast groß ist, eine höhere maximale Luftstromgeschwindigkeit erhalten wird, weshalb der Einspritzzeitpunkt der Einspritzvorrichtung 1 durch die Luftstromgeschwindigkeit beeinflußt wird.
  • Dementsprechend tritt bei der Berechnung des Bereichs, in dem ein optimales Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird, unter Bezugnahme auf den Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel und die Magerverbrennungsgrenze, die in 2 gezeigt ist, unter der Bedingung, daß die Kraftstoffeinspritzung während des Lufteinlaßhubs in einer Zeitspanne Tma, die die Zeit einschließt, in der die maximale Luftstromgeschwindigkeit erfaßt wird, abgeschlossen wird, ein durch den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt(-winkel) repräsentierter optimaler Wert in dem ein optimales Luft-/Kraft stoffgemisch bildenden Bereich auf, wenn die Luftstromgeschwindigkeit im Lufteinlaßkanal hoch ist (beispielsweise unter der Fahrbedingung A mit einer Motordrehzahl von 2000 min–1 und einer Motorlast von 74,6 kPa, wobei die Luftstromgeschwindigkeit im Lufteinlaßkanal 40–50 m/s erreicht), wobei der optimale Wert ferner in einer Zeitspanne Tmb, die vor der Zeit liegt, in der die maximale Luftstromgeschwindigkeit erfaßt wird, auftritt, wenn die Luftstromgeschwindigkeit niedrig ist (beispielsweise unter der Fahrbedingung B mit einer Motordrehzahl von 800 min–1 und einer Motorlast von 34,6 kPa, wobei die Luftstromgeschwindigkeit unter 20 m/s liegt), wie aus 13 ersichtlich ist. Demgemäß kann unter der Fahrbedingung B dann, wenn der Kraftstoff zu einer Zeit eingespritzt wird, in der die maximale Luftstromgeschwindigkeit auftritt, der das optimale Luft-/Kraftstoffgemisch bildende Bereich selbstverständlich nicht erzeugt werden, weshalb die Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung den Maximalwert der Luftstromgeschwindigkeit anhand der Motordrehzahl und der Motorlast ermittelt und die Einstellung der Kraftstoffeinspritzzeit unter Bezugnahme auf ein Kennfeld im RAM und ROM der Steuereinheit 11 anhand des Maximalwerts der Luftstromgeschwindigkeit modifiziert.
  • 14 ist ein dreidimensionales Kennfeld, aus dem der optimale Wert für den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in der Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung anhand der Motordrehzahl und der Motorlast bestimmt wird, wobei im Kennfeld diejenigen Kraftstoffeinspritzungsabschluß-Kurbelwinkel, die die optimalen Werte repräsentieren, anhand der Motordrehzahl und der Motorlast im voraus festgelegt werden. Ferner wird in der vorliegenden Ausführungsform die Einstellung unter der Bedingung bestimmt, daß die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Lufteinlaßventils 6 nicht verändert werden, jedoch kann dann, wenn sich die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Lufteinlaßventils 6 ständig oder schrittweise andern, diesem Sachverhalt durch Vorbereiten mehrerer Kennfelder, die den Öffnungs- und Schließzeitpunkten des Lufteinlaßventils 6 entsprechen, oder durch Vorbereiten von Korrekturausdrücken für die jeweiligen Öffnungs- und Schließzeitpunkte Rechnung getragen werden.
  • Nun ist es dann, wenn die Zeitverzögerung des eingespritzten Kraftstoffs durch Verwendung des Verwirbelungssteuerventils 10a aufgehoben ist, wegen der Einschränkung hinsichtlich der Anbringungsposition der Einspritzvorrichtung 1, wie dies oben erwähnt wurde, erforderlich, denjenigen Ventilöffnungsgrad, bei dem die Luftstromgeschwindigkeit im Lufteinlaßkanal 18 während des Lufteinlaßhubs maximal ist, zu bestimmen, wobei 15 die Beziehung zwischen dem Öffnungsgrad des Verwirbelungssteuerventils 10a und der Luftstromgeschwindigkeit während des Lufteinlaßhubs unter der Fahrbedingung mit einer Motordrehzahl von 2000 min–1 und einer Motorlast von 74,7 kPa zeigt. Wobei hinsichtlich des Öffnungsgrads des Verwirbelungssteuerventils 10a dadurch, daß dessen Wert ansteigt, der Lufteinlaßkanal 18 stärker geschlossen wird.
  • Aus 15 ist ersichtlich, daß dann, wenn der Öffnungsgrad des Verwirbelungssteuerventils 10a etwa 50° beträgt, die Luftstrom geschwindigkeit maximal wird und der Winkel von etwa 50° der optimale Öffnungsgrad für das Verwirbelungssteuerventil 10a ist. 16 ist ein dreidimensionales Kennfeld zur Bestimmung des optimalen Verwirbelungssteuerventil-Öffnungsgrads in der Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung, wobei in der vorliegenden Ausführungsform diejenigen Verwirbelungssteuerventil-Öffnungsgrade, die die optimalen Werte repräsentieren, in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Motorlast im voraus festgelegt werden und wobei dadurch, daß die Ventilöffnungsgrade in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen im voraus so festgelegt werden, daß die Luftstromgeschwindigkeit in dem Lufteinlaßkanal 18 während des Lufteinlaßhubs maximiert wird, die Transportverzögerung aufgrund des Zerstäubens des eingespritzten Kraftstoffs korrigiert wird und die Zeitverzögerung beseitigt werden kann.
  • Ferner wird in der vorliegenden Ausführungsform der optimale Verwirbelungssteuerventil-Öffnungsgrad zur Erzielung der maximalen Luftstromgeschwindigkeit bestimmt, jedoch geschieht es manchmal, daß unabhängig von der Struktur des Lufteinlaßkanals 18, des Kolbens 8, des Kopfs des Zylinders 9 und der Position der Zündkerze 12 die Einspritzung bei der maximalen Luftstromgeschwindigkeit nicht unbedingt mit der optimalen Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs übereinstimmt, weshalb der optimale Wert für den Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkt zur Optimierung der Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs im Zylinder anhand der tatsächlichen Motor-Testergebnisse bestimmt werden kann.
  • Ferner zeigt 17 die durch die Einrichtung zur Berechnung des Drehzahlschwankungsindexes bestimmte Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine 10 und die Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel während des Lufteinlaßhubs unter Bezugnahme auf TDC in der Nähe des Startzeitpunkts des Lufteinlasses und dem Drehzahlschwankungsindex CPi unter der Fahrbedingung mit einer Motordrehzahl von 2000 min–1, einer Motorlast von 74,7 kPa und einem Luft-/Kraftstoffverhältnis von 29.
  • Der Drehzahlschwankungsindex CPi ist ein Index, der die Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine 100 repräsentiert (beispielsweise die Motorvibration und die Drehzahlschwankungskomponenten), der sich ändert, wenn der Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel verändert wird, wobei die Verbrennungsstabilität zunimmt, wenn der Wert des Drehzahlschwankungsindexes CPi abnimmt. Wie aus 17 ersichtlich ist, kann die Verbrennungsstabilität unter der obigen Fahrbedingung im Bereich des Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel von ungefähr 80°–100° verbessert werden, weshalb ein solcher Winkel den optimalen Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel repräsentiert. Demgemäß kann auch dann, wenn die momentane Kraftstoffeinspritzzeit in Abhängigkeit von Motor-Maschinenfehlern nicht notwendigerweise mit der tatsächlichen optimalen Kraftstoffeinspritzzeit übereinstimmt, dadurch, daß der minimale Drehzahlschwankungsindex CPi durch Veränderung des Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkts während des Lufteinlaßhubs unter einer stetigen Fahrbedingung festgestellt werden kann, die Kraftstoffeinspritzzeit zur Bildung eines optimalen Luft-/Kraftstoffgemisches korrigiert werden, wodurch die Robustheit des Motorsteuerungssystems erhöht wird.
  • 18 ist ein Ablaufplan zur Erläuterung der arithmetischen Operation zur Bestimmung des Minimalwerts des Drehzahlindexes CPi, die durch die Einrichtung zur Berechnung des Drehzahlschwankungsindexes ausgeführt wird.
  • Die vorliegende Routine wird zur Ausführung der arithmetischen Operation in einem Zyklus wiederholt, beispielsweise alle 10 ms.
  • Im Schritt 1000 wird anhand beispielsweise der Änderungsbreite und der Änderungsgeschwindigkeit der Fahrbedingungsparameter wie etwa der Motordrehzahl und der Motorlast festgestellt, ob der stetige Zustand für eine vorgegebene Zeit beibehalten wird, und falls die Entscheidung JA lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 1100 fortgesetzt, und falls die Entscheidung NEIN lautet, endet die momentane Routine.
  • Im Schritt 1100 wird, wenn der Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel (Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkt) in bezug auf die Position TDC während des Lufteinlaßhubs als θ INJ angenommen wird, ein Anfangswert θ INJ in dem betreffenden Fahrbereich unter den in Form eines dreidimensionalen Kennfeldes im voraus festgelegten und in einem ROM gespeicherten Kraft stoffeinspritzungsabschlußwinkeln gelesen, worauf der Prozeß mit dem Schritt 1200 fortgesetzt wird.
  • Im Schritt 1200 wird festgestellt, ob der gelesene Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel θ INJ in den Bereich zwischen INJMin und θ INJMax fällt, der dem Lufteinlaßhub entspricht, und falls die Entscheidung JA lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 1300 fortgesetzt, und wenn die Entscheidung NEIN lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 1900 fortgesetzt.
  • Im Schritt 1300 wird festgestellt, ob vor der Herbeiführung einer tatsächlichen Drehzahlschwankung eine vorgegebene Zeit nach der Einstellung des Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkels θ INJ verstrichen ist, und falls die Entscheidung JA lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 1400 fortgesetzt, in dem der Mittelwert der Drehzahlschwankungsindizes CPimittel berechnet wird, worauf der Prozeß mit dem Schritt 1450 fortgesetzt wird.
  • Wenn die Entscheidung im Schritt 1300 andererseits NEIN lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 1900 fortgesetzt, in dem festgestellt wird, ob die Entscheidung in den Schritten 1200 oder 1300 im Zusammenhang mit der erstmaligen Mittelwertberechnung der Drehzahlschwankungsindizes CPi getroffen wurde, und falls die Entscheidung JA lautet, endet die momentane Routine, und falls die Entscheidung NEIN lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 2000 fortgesetzt.
  • Im Schritt 1450 wird festgestellt, ob die Mittelwertberechnung der Drehzahlschwankungsindizes CPimittel erstmalig geschah, und falls die Entscheidung JA lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 1600 fortgesetzt, in dem der erstmalig berechnete Mittelwert der Drehzahlschwankungsindizes CPimittel, unverändert, als CPiMin gespeichert wird, und falls die Entscheidung NEIN lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 1500 fortgesetzt.
  • Im Schritt 1500 wird festgestellt, ob der Mittelwert CPimittel der im Schritt 1400 berechneten Drehzahlschwankungsindizes größer als der gespeicherte minimale Drehzahlschwankungsindex CPiMin ist, und falls die Entscheidung JA lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 1700 fortgesetzt, und falls die Entscheidung NEIN lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 1600 fortgesetzt, in dem der momentane Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel θ INJ als Ersatz-(Back-up)-Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel INJBU gespeichert wird und der berechnete Mittelwert CPimittel der Drehzahlschwankungsindizes als minimaler Drehzahlschwankungsindex CPiMin gespeichert wird, worauf der Prozeß mit dem Schritt 1700 fortgesetzt wird.
  • Im Schritt 1700 wird festgestellt, ob der Mittelwert CPimittel kleiner als der momentane Maximalwert CPiMax ist, und falls die Entscheidung JA lautet, mit anderen Worten, falls keine extreme Drehzahlschwankung beobachtet wird, wird der Prozeß mit dem Schritt 1800 fortgesetzt, in dem der Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel θ INJ aktualisiert wird. Das Aktualisieren des Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel θ INJ wird in der Weise ausgeführt, daß ein vorgegebener Einheitswinkel zu einem voreingestellten Anfangswert θ INJ des Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkels für jede Aktualisierung addiert wird, bis ein maximaler Winkel erreicht ist, und anschließend der vorgegebene Einheitswinkel von dem maximalen Winkel für jede Aktualisierung subtrahiert wird, bis ein minimaler Winkel erreicht ist, wobei die obige Sequenz für jede Aktualisierung wiederholt wird. Bei der obigen Aktualisierungsoperation ist es dann, wenn der Winkel unmittelbar auf den Anfangswert zurückgeführt wird, möglich, daß eine große Drehzahlschwankung herbeigeführt wird, weshalb der Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel θ INJ vorzugsweise schrittweise zum Anfangswert und anschließend durch schrittweise Subtraktion zum minimalen Winkel hin zurückgeführt wird. Ferner ist es dann, wenn die Periode des stetigen Zustands kurz ist, unmöglich, Mittelwerte CPimittel für sämtliche Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel θ INJ zu bestimmen, wobei die Fahrbereiche und der Bereich der Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel, für die die Mittelwerte bereits bestimmt worden sind, in Form numerischer Werte oder einer Bitmap gespeichert werden und wobei dann, wenn ein stabiler Zustand verlassen wird, jedoch dieser unter demselben Fahrbereich wieder eingenommen wird, die Minimalwerte CPimittel für den restlichen Bereich der Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel, für den die Minimalwerte CPimittel noch nicht berechnet worden sind, berechnet werden können.
  • Im Schritt 1700 wird ferner festgestellt, ob der Mittelwert CPimittel größer als der voreingestellte Maximalwert CPiMax ist, und falls die Entscheidung NEIN lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 2000 fortgesetzt, womit die schrittweise Modifikation des Einspritzzeitpunkts durch Aktualisierung des Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkels θ INJ unterbrochen wird und wodurch eine große Drehzahlschwankung zur Sicherung des Antriebsverhaltens vermieden wird.
  • Im Schritt 2000 wird festgestellt, ob das Speichern des Minimalwerts CPiMinb erstmals geschah, und falls die Entscheidung JA lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 2200 fortgesetzt, und falls die Entscheidung NEIN lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 2100 fortgesetzt, in dem festgestellt wird, ob der momentane Minimalwert CPiMin größer als der gespeicherte Minimalwert CPiMinb ist, und falls die Entscheidung JA lautet, endet die momentane Routine, und falls die Entscheidung NEIN lautet, wird der Prozeß mit dem Schritt 2200 fortgesetzt.
  • Im Schritt 2200 wird der Ersatz-(Back-up)-Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel θ INJBU als θ INJb gespeichert, während der momentane Minimalwert CPiMin als CPiMinb gespeichert wird und der Prozeß anschließend mit dem Schritt 3000 fortgesetzt wird, in dem unter dem betreffenden Fahrbereich ein Korrekturwert Dθ INJ aus dem Anfangswert θ INJ und dem zuletzt gespeicherten Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel θ INJb bestimmt wird, worauf die momentane Routine endet. Ferner müssen für jeden Fahrbereich die gespeicherten Kraftstoffein spritzungsabschlußwinkel θ INJb bestimmt werden, jedoch ist es momentan schwierig, dieselben für alle Fahrbereiche zu bestimmen, weshalb vorgezogen wird, diese als voreingestellte Korrekturwerte für die Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkel zu speichern oder in einem Kennfeld in bezug auf grob unterteilte Fahrbereiche zu speichern. Ferner wird dann, wenn die Routine bei der erstmaligen Berechnung vom Schritt 1700 zum Schritt 2000 führt und festgestellt wird, daß der Verbrennungszustand der Brennkraftmaschine 100 aus anderen Gründen fehlerhaft ist, eine Verarbeitung ausgeführt, die sich von der aktuellen Routine wie beispielsweise der Anreicherung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses unterscheidet.
  • Mit den so gebildeten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden folgende Vorteile erzielt.
  • Die Brennkraftmaschine 100 ist mit dem Verwirbelungssteuerventil 10a versehen, das die Luftstromgeschwindigkeit in dem Lufteinlaßkanal 18 beschleunigt, wobei die Einspritzöffnung 52 der Einspritzvorrichtung 1 bei oder nahe bei dem Bereich beschleunigter Luftströmung angeordnet ist, um die erhöhte Luftstromgeschwindigkeit auszunutzen, wodurch die Transportverzögerung des zerstäubten Kraftstoffs aufgehoben wird.
  • Ferner ist die Steuereinheit 11 mit der Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung versehen, die eine Synchronisation der Kraftstoffeinspritzung durch die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 mit dem Lufteinlaßhub der Brennkraftmaschine 100 bewirkt und den Kraftstoffeinspritzungsstart so steuert, daß während des Lufteinlaßhubs zum Zeitpunkt des Kraftstoffeinspritzungsabschlusses ein optimales Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird, wobei die Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung den Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkt in eine Zeitspanne legt, die die Zeit einschließt, in der eine maximale Luftstromgeschwindigkeit erzeugt wird, wenn die Luftstromgeschwindigkeit in dem Lufteinlaßkanal hoch ist, wobei andererseits dann, wenn die Luftstromgeschwindigkeit in dem Luftströmungskanal 18 niedrig ist, der Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkt in eine Zeitspanne gelegt wird, die vor der Zeit liegt, in der die maximale Luftstromgeschwindigkeit erzeugt wird, also die Einstellung des Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkts in Abhängigkeit von der Luftstromgeschwindigkeit in dem Lufteinlaßkanal 18 modifiziert wird und dementsprechend eine Kraftstoffeinspritzung für die Bildung eines optimalen Luft-/Kraftstoffgemisch selbst dann, wenn die Verbrennung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Motorlast schwankt, verwirklicht werden kann, die Zeitverzögerung aufgrund der Verkleinerung des Tröpfchendurchmessers des eingespritzten Kraftstoffs zweifellos beseitigt wird und außerdem die Qualität und die Bildung des Luft-/Kraftstoffgemisches im Zylinder 9 zweifellos verbessert wird.
  • Darüber hinaus ist die Steuereinheit 11 mit einer Einrichtung zur Berechnung des Drehzahlschwankungsindexes versehen, die den die Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine 100 repräsentierenden Drehzahlschwankungsindex berechnet, der, wobei die Kraftstoffeinspritzzeitpunkt-Einstelleinrichtung unter Be zugnahme auf das Rechenergebnis der Einrichtung zur Berechnung des Drehzahlschwankungsindexes die Kraftstoffeinspritzzeit korrigiert, wobei dann, wenn die Kraftstoffeinspritzzeit zur Bildung des optimalen Luft-/Kraftstoffgemisches abweicht, diese Abweichung korrigiert wird, wodurch die Robustheit des Steuerungssystems und die Zuverlässigkeit der Brennkraftmaschine 100 erhöht werden.
  • Darüber hinaus ist die Einspritzvorrichtung 1 für das MPI unter anderem durch den Ventilkörper 50, den Verwirbeler 53, die Magnetspule 55, die das Ventil schließende Vorspannungsfeder 56, die Kolbenstange 57 und den Ventilhauptkörper 58 mit der Einspritzöffnung 52 und der Ventilsitzfläche 51 gebildet, wobei dann, wenn der Magnetspule 55 aufgrund von Steuersignalen von der Steuereinheit 11 Strom zugeführt wird, der Ventilkörper 50 zur Ventilöffnung und Ventilschließung mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird, wobei der Kraftstoff in der Einspritzvorrichtung 1, der durch den Verwirbeler 53 strömt, durch den Druck in der Einspritzvorrichtung 1, die Form des Verwirbelers 53 und die unmittelbare Bildung eines offenen Volumens an der Einspritzöffnung 52, ohne daß mehrere Bohrungen an der Einspritzöffnung und die Kollision des eingespritzten Kraftstoffs vorgesehen werden müssen, durch den Hochgeschwindigkeitsantrieb in dem frühen Öffnungsstadium des Ventilkörpers 50 zerstäubt wird, wodurch die Qualität und die Bildung des Luft-/Kraftstoffgemisches im Zylinder weiter verbessert werden.
  • Darüber hinaus wird der Ventilkörper 50 in der Einspritzvorrichtung zur Ventilöffnung und Ventilschließung mit hoher Geschwindigkeit angetrieben, wodurch die Soll-Kraftstoffmenge in kürzerer Zeit zu einem optimalen Zeitpunkt während des Lufteinlaßhubs eingespritzt wird und die dynamische Durchflußmenge im Vergleich zur herkömmlichen Einspritzvorrichtung, ohne Änderung der statischen Durchflußmenge, also unter Beibehaltung der Durchflußmenge, erhöht werden kann.
  • Darüber hinaus ist wegen der Einspritzungsabstand-Verkürzungseinrichtung zur Verkürzung des Abstands von der Einspritzöffnung 52 zu den jeweiligen Zylindern 9, 9, ... der Ventilhauptkörper 58 der Einspritzvorrichtung 1 verlängert, wodurch die Kraftstofftransportverzögerung aufgrund der Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs aufgehoben werden kann und außerdem der Abstand von der Einspritzöffnung 52 zu den jeweiligen Zylinder 9, 9, ... in Abhängigkeit vom Durchmesser der eingespritzten Tröpfchen bestimmt werden kann, wobei die vorliegende Einspritzvorrichtung 1 auch dann, wenn der Tröpfchendurchmesser in Abhängigkeit von beispielsweise des Motortyps oder der Motorleistung verändert wird, vollwertig eingesetzt werden kann.
  • Beispielsweise wird die Berechnung der Soll-Kraftstoffmenge anhand der vom Einlaßluftsensor 2 erfaßten Einlaßluftmenge ausgeführt, jedoch kann die Berechnung der Soll-Kraftstoffmenge anhand des von einem Drucksensor erfaßten Drucks im Lufteinlaßkanal durchgeführt werden.
  • Ferner führt die Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung, wegen der Einfachheit der Steuerung, die Steuerung des Kraftstoffeinspritzungsabschlusses aus, um die Zeitverzögerung zu beseitigen und die Qualität und die Bildung des Luft-/Kraftstoffgemisches zu verbessern, jedoch ist es möglich, eine sogenannte Kraftstoffeinspritzungsstart-Steuerung auszuführen, indem der Kraftstoffeinspritzungsstartzeitpunkt(-winkel) verwendet wird, um die Zeitverzögerung zu beseitigen, wobei in diesem Fall die Zeitverzögerung θ T1stt zwischen einem Referenzsignalwinkel θ STD, der für jeden Zylinder 9, 9, ... an einer vorgegebenen Position erzeugt wird und durch den Kurbelwinkelsensor 13 erfaßt wird, und einem Kraftstoffeinspritzungsstartwinkel θ IJST, der durch eine Einrichtung wie etwa ein Kennfeld mit mehreren Variablen wie etwa der Motordrehzahl und der Motorlast im voraus festgelegt ist, zu berechnen ist und die Kraftstoffeinspritzungsstart-Steuerung in der Weise ausgeführt wird, daß zum festgelegten Kraftstoffeinspritzungsstartzeitpunkt das optimale Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird.
  • Darüber hinaus kann dann, wenn durch die Einrichtung zur Berechnung des Drehzahlschwankungsindexes der Minimalwert des Drehzahlschwankungsindexes CPi ermittelt wird, anstelle des Kraftstoffeinspritzungsabschlußwinkels der Kraftstoffeinspritzungsstartwinkel verwendet werden, wobei ferner dann, wenn die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Lufteinlaßventils 6 veränderlich sind, der Bereich des Kraftstoffeinspritzungsstartwinkels in Abhängigkeit von dem veränderten Zeitpunkt modifiziert werden kann.
  • Darüber hinaus ist in den vorliegenden Ausführungsformen der Lufteinlaßkanal 18 durch einen verzweigten Lufteinlaßkanal mit zwei Lufteinlaßrohren gebildet und die Einspritzvorrichtung 1 mit der verlängerten Düse so entworfen, daß sie den zerstäubten Kraftstoff in dem Zylinder 9 in zwei Richtungen einspritzt, jedoch kann eine Einspritzvorrichtung, die Kraftstoff in einer Richtung einspritzt, verwendet werden. Wie in 19 gezeigt ist, kann dann, wenn die Einspritzvorrichtung mit einer verlängerten Düse, die Kraftstoff in einer Richtung einspritzt, (durch durchgezogene Linien dargestellt) den Kraftstoff lediglich auf eine Seite der beiden Lufteinlaßrohre einspritzt, die Anbringungsposition der Einspritzvorrichtung zum Lufteinlaßkanal dicht an das Lufteinlaßventil versetzt werden, ohne durch eine Trennwand gestört zu sein, wodurch der Einspritzabstand L weiter verkürzt werden kann und die Zeitverzögerung des eingespritzten Kraftstoffs durch diese Maßnahme ebenso aufgehoben wird.
  • Wie aus dem Obigen verständlich wird, bewirkt die Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung die Einspritzung von Kraftstoff während des Lufteinlaßhubs der Brennkraftmaschine und synchron mit diesem, wobei der Lufteinlaßkanal mit der Einrichtung zur Erhöhung der Luftstromgeschwindigkeit versehen ist und das Kraftstoffeinspritzventil dadurch, daß seine Einspritzöffnung in dem Lufteinlaßkanal bei oder nahe bei dem Bereich der Luftströmung mit erhöhter Geschwindigkeit angeordnet ist, die erhöhte Luftstromgeschwindigkeit ausnutzt, wodurch die Zeitverzögerung aufgrund der Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs aufgehoben wird.

Claims (10)

  1. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die – ein Kraftstoffeinspritzventil (1), das an einem Lufteinlaßanschluß der Brennkraftmaschine (100) angeordnet ist und Kraftstoff vom Lufteinlaßanschluß in Richtung der jeweiligen Zylinder (9) der Brennkraftmaschine (100) einspritzt, und – Mittel zum Erhöhen der Luftströmungsgeschwindigkeit (10a) im Lufteinlaßanschluß umfaßt, wobei die jeweilige Einspritzöffnung (52) des Kraftstoffeinspritzventils (1) bei oder nahe bei einem durch das Mittel zum Erhöhen der Luftströmungsgeschwindigkeit gebildeten Abschnitt beschleunigter Luftströmung angeordnet ist, gekennzeichnet durch – eine Steuereinheit (11) zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung des Kraftstoffeinspritzventils (1) während des Lufteinlaßhubs der Brennkraftmaschine (100), besagte Steuereinheit (11) umfassend – eine Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung zum Einstellen des Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkts des Kraftstoffeinspritzventils (1) auf einen Zeitpunkt vor Auftritt der maximalen Luftstromgeschwindigkeit, wenn die Luftströmungsgeschwindigkeit im Lufteinlaßanschluß vergleichsweise niedrig ist.
  2. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung zum Einstellen der Kraftstoffeinspritzzeit des Kraftstoffeinspritzventils (1) durch Festlegen entweder eines Kraftstoffeinspritzungsstartzeitpunkts oder eines Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkts.
  3. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Kraftstoffeinspritzzeit-Einstelleinrichtung zum Einstellen des Kraftstoffeinspritzungsabschlußzeitpunkts des Kraftstoffeinspritzventils (1) auf oder angenähert auf den Zeitpunkt, zu dem die maximale Luftströmungsgeschwindigkeit auftritt, wenn die Luftströmungsgeschwindigkeit im Lufteinlaßanschluß vergleichsweise hoch ist.
  4. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, die ferner Mittel zum Berechnen des für die Verbrennungsstabilität repräsentativen Drehzahlschwankungsindexes umfaßt, wobei die Kraftstoffeinspritzzeit des Kraftstoffeinspritzventils (1) anhand des von den Mitteln zum Berechnen des Drehzahlschwankungsindexes erhaltenen Rechenergebnisses korrigiert wird.
  5. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, die ferner Mittel zum Berechnen des für die Verbrennungsstabilität repräsentativen Drehzahlschwankungsindexes umfaßt, wobei die Kraftstoffeinspritzzeit des Kraftstoffeinspritzventils (1) anhand des von den Mitteln zum Berechnen des Drehzahlschwankungsindexes erhaltenen Rechenergebnisses korrigiert wird.
  6. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, die ferner Mittel zum Berechnen des für die Verbrennungsstabilität repräsentativen Drehzahlschwankungsindexes umfaßt, wobei die Kraftstoffeinspritzzeit des Kraftstoffeinspritzventils (1) anhand des von den Mitteln zum Berechnen des Drehzahlschwankungsindexes erhaltenen Rechenergebnisses korrigiert wird.
  7. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Ventilhauptkörper (50) des Kraftstoffeinspritzventils (1) verlängert ist, damit der von der Einspritzöffnung eingespritzte Kraftstoff während des Lufteinlaßhubs der Brennkraftmaschine (100) in die jeweiligen Zylinder (9) eingeführt wird.
  8. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Abstand der Einspritzöffnung (52) des Kraftstoffeinspritzventils (1) vom Zylinder (9) auf der Grundlage des Tröpfchendurchmessers des von dem Kraftstoffeinspritzventil (1) eingespritzten Kraftstoffs bestimmt wird.
  9. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper (50) des Kraftstoffeinspritzventils (1) mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird, um die Zerstäubung des von den jeweiligen Einspritzöffnungen des Kraftstoffeinspritzventils (1) eingespritzten Kraftstoffs zu verstärken.
  10. Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper (50) des Kraftstoffeinspritzventils (1) so angetrieben wird, daß der Durchmesser der durch das Kraft stoffeinspritzventil eingespritzten Kraftstofftröpfchen weniger als 70 μm betragen.
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