DE3515043A1 - Brennkraftmaschine mit brennstoff-einspritzung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit brennstoff-einspritzung

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DE3515043A1
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Description

MAZDA MOTOR CORP.
No. 3-1 Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima-ken, Japan
- 24 951 20/h
Brennkraftmaschine mit Brennstoff-Einspritzung
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und insbesondere eine Brennkraftmaschine mit einer Einspritzeinrichtung, mittels der zumindest bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit niedriger Last das Gemisch jeweils in Form einer sogenannten Schichtladung zugeführt wird.
Die Schichtladungstechnik ist bekannt. Zu ihrer Verwirklichung ist in einem Ansaugkanal ein Brennstoff-Einspritzventil angeordnet, welches bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit niedriger Last in der zweiten Hälfte des Ansaughubes Brennstoff einspritzt, so daß ein fettes Luft/ Brennstoff-Gemisch die Zündkerze umgibt, während mageres Luft/Brennstoff-Gemisch wiederum das fette Gemisch einhüllt. Außerdem erhält das Luft/Brennstoff-Gemisch bei seinem Eintritt in den Brennraum eine Drall- oder Wirbelbewegung aufgeprägt, durch die eine Diffusion des "geschichteten" Brennstoffes beim Arbeitshub unterdrückt wird (vgl. z.B. JP-OSen 56(1981)-148636 und 58(1983)-85319).
Bei Zuführung einer Schichtladung muß das Gemisch nahe der Zündkerze fett genug sein, um gezündet werden zu können, jedoch kann das von der Zündkerze entfernt befindliche Gemisch sehr mager sein. Das ergibt den Vorteil der Schicht-
ladungstechnik, daß das Gesamtverhältnis LuCt/Brennstoff auf mager eingestellt sein kann und dementsprechend die Wirtschaftlichkeit verbessert und der Schadstoffausstoß im Auspuffgas verringert ist. Darüber hinaus ist in einer Schichtladung das Gemisch im Randbereich der Gaszone mager und weniger zündfähig, so daß als Folge davon ein Klopfen verhindert werden kann.
Andererseits bringt die Schichtladungstechnik jedoch das Problem mit sich, daß wegen der direkten Einführung des Brennstoffes in den Brennraum vor der ausreichenden Zerstäubung und Verdampfung des Brennstoffes die Zündfähigkeit des Gemisches und die Verbrennungsstabilität nachteilig beeinflusst werden, insbesondere bei kalter Maschine.
Ausgehend davon liegt die Hauptaufgabe der Erfindung darin, eine Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung zu schaffen, bei der eine verbesserte Zerstäubung und Verdampfung des Brennstoffes auch bei kalter Maschine möglich ist und eine umgekehrte Schichtbildung vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.
Eine erfindungsgemässe Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung weist somit zunächst ein Brennstoff-Einspritzventil auf, das in einem über ein Einlaßventil mit dem Brennraum verbundenen Einlaß- oder Ansaugkanal angeordnet ist. Weiterhin ist eine Drall-Steuereinrichtung zur Steuerung der Wirbel- oder Drallbewegung vorgesehen, die der Ansaugluft in Umfangsrichtung des den Brennraum bildenden Zylinders mitgeteilt werden soll. Außerdem steuert eine Steuereinrichtung, zumindest bei niedriger Maschinenlast, das Brennstoff-Einspritzventil derart, daß die für einen Arbeitshub
erforderliche Brennstoffmenge eine vorbestimmte Zeit nach dem Öffnen des Einlaßventils und während des Ansaughubes eingespritzt wird, während die Drall-Steuereinrichtung der Ansaugluft eine Wirbelbewegung mitteilt. Schließlich ist eine Korrektureinrichtung vorgesehen, die bei kalter Maschine das Brennstoff-Einspritzventil dahingehend steuert, daß dieses die Einspritzung schon vor der Öffnung des Einlaßventiles beginnt, während die Drall-Steuereinrichtung die Erzeugung einer Drall- oder Wirbelbewegung in der Ansaugluft unterbindet. Dabei wird bei der erfindungsgemässen Brennkraftmaschine das Gemisch in Form einer Schichtladung zugeführt, wenn die Maschine bei niedriger Last arbeitet, so daß hierdurch die Wirtschaftlichkeit verbessert und der Schadstoffausstoß vermindert wird.
Solange die Maschine kalt ist, wird Brennstoff vor dem Öffnen des Einlaßventils eingespritzt, so daß er in Kontakt mit der Wandung des Einlaßkanales, mit dem Einlaßventil selbst und mit der sonstigen Umgebung kommt, um hierdurch die Zerstäubung und Verdampfung zu verbessern. Das erweist sich als vorteilhaft für die Zündfähigkeit des Gemisches und die Stabilität der Verbrennung. Wenn die Ansaugluft beim Eintritt in die Brennkammer in eine starke Dralloder Wirbelbewegung versetzt wird und der Brennstoff vor dem Öffnen des Einlaßventiles bereits eingespritzt wird, besteht normalerweise die Gefahr, daß der dem Brennraum zugeführte Brennstoff relativ frühzeitig sich im unteren Abschnitt der Brennkammer ansammelt und auf diese Weise eine umgekehrte Schichtbildung einsetzt. Erfindungsgemäß wird jedoch die Wirbelbewegung in der Ansaugluft bei kalter Maschine unterdrückt, um dieses Problem zu beseitigen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus den Unteransprüchen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung;
Fig. 2 einen Teil-Längsschnitt der Maschine gemäß Fig. in grösserem Maßstab;
Fig. 3 eine Untenansicht des Zylinderkopfes der Maschine gemäß Fig. 2;
Fig. 4 ein Schaubild, das die Charakteristik bezüglich des Öffnungswinkels des in der Maschine gemäß Fig. 1 eingesetzten Wirbel-Steuerventils wiedergibt;
Fig. 5 ein Zeitsteuer-Diagramm, das die Zeitsteuerung der Brennstoffeinspritzung bei Ausführung der Schichtladungstechnik veranschaulicht;
Fig. 6A ein Zeitsteuer-Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel für die Zeitsteuerung der Brennstoffeinspritzung bei kalter Maschine angibt;
Fig. 6B ein Zeitsteuer-Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Zeitsteuerung der Brennstoffeinspritzung bei kalter Maschine angibt;
Fig. 7 ein Flußdiagramm für die Funktion dor Steuereinrichtung, und
Fig. 8 eine Teil-Schnittansicht einer modifizierten Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Maschine.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine 1 weist vier Zylinder C auf, von denen in Fig. 1 nur einer dargestellt ist. Mit einem Brennraum 2, der in jedem der Zylinder C ausgebildet ist, sind ein Einlaßkanal 5 und ein Auslaßkanal 6 jeweils über ein Einlaßventil 3 bzw. ein Auslaßventil 4 verbunden. Der Einlaßkanal 5 ist mit einem Ausgleichs- oder Puffertank 7 ausgestattet und stromaufwärts von dem Ausgleichstank 7 ist ein Drosselventil 8 angeordnet. Am aufstromsei tigen Ende des Einlaßkanales 5 befindet sich außerdem ein Luftfilter 9, und zwischen dem Drosselventil 8 und dem Luftfilter 9 ist ein Durchfluß-Meßgerät 10 angeordnet, das den Durchsatz bzw. die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft feststellt. In dem stromabseitigen Abschnitt des Einlaßkanales 5 ist ein Brennstoff-Einspritzventil
12 montiert, das zu dem Einlaßventil 3 hin gerichtet ist. Das Brennstoff-Einlaßventil 12 ist an eine Zuführleitung
13 angeschlossen, die mit einem (nicht gezeigten) Brennstofftank über einen (nicht gezeigten) Brennstoff-Druckregler verbunden ist. An dem Brennstoff-Einspritzventil 12 liegt ein Brennstoffdruck an, der durch den Brennstoff-Druckregler derart gesteuert ist, daß der Druckunterschied zwischen dem Brennstoffdruck und dem Druck im Ansaugkanal konstant gehalten wird. Der Auslaßkanal 6 enthält einen Katalysator 14 zur katalytischen Umwandlung von nichtverbrannten Stoffen im Abgas.
Der Einlaßkanal 5 ist so ausgebildet und angeordnet, daß er dem in den Brennraum eingeleiteten Gemisch eine Dralloder Wirbelbewegung in Umfangsrichtung des Zylinders C, der den Brennraum 2 bildet, mitteilt. Außerdem ist in dem Einlaßkanal 5 eine Wirbel-Steuereinrichtung 15 zur Steuerung der Wirbelbewegung des Gemisches angeordnet.
In den Fig. 2 und 3 sind ein Ansaugverteiler 16 und ein Zylinderkopf 17 gezeigt, in dem die Zylinder C ausgebildet sind. Der stromabseitige Endabschnitt jedes Einlaßkanales 5 ist teils durch den Ansaugverteiler 16 und teils durch den Zylinderkopf 17 gebildet. Außerdem ist dieser Endabschnitt in einen primären Einlaßkanal-Abschnitt 5a und einen sekundären Einlaßkanal-Abschnitt 5b durch eine Trennwand 18 zweigeteilt, die sich vom Zylinderkopf 17 in den Ansaugverteiler 16 hineinerstreckt. In dem sekundären Einlaßkanal-Abschnitt 5b ist ein Wirbel-Steuerventil 19 angeordnet. Dieses ist grundsätzlich durch eine nicht gezeigte Betätigungsvorrichtung in Abhängigkeit von der Zu- bzw. Abnahme der Ansaugluftmenge betätigbar und bei Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit niedriger Last geschlossen, dagegen bei Betrieb mit hoher Last geöffnet. Auf diese Weise ist die vorstehend genannte Wirbel-Steuereinrichtung 15 gebildet.
Der primäre Ansaugkanal-Abschnitt 5a hat eine relativ kleine Querschnittsfläche und mündet geringfügig stromaufwärts von demEinlaßventil 3 in Form einer Drallöffnung 11a, die in Umfangsrichtung des Zylinders C (Fig. 3) gerichtet ist. Aufgrund dieser Anordnung wird die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft erhöht und der Winkel, bezogen auf die Oberseite des Kolbens 20, unter dem die Ansaugluft in den Brennraum eintritt, wird verringert. Das führt im Ergebnis zu einer Drall- oder Wirbelbewegung der Ansaugluft in Umfangsrichtung des Zylinders C, wie das durch den Pfeil K in Fig.3 gezeigt ist.
Der sekundäre Einlaßkanal-Abschnitt 5b ist weitgehend parallel zur Mittelachse des Zylinders C und in Richtung auf die Oberseite des Kolbens 20 ausgerichtet, um der Ansaugluft nur eine geringfügige Drallbewegung mitzugeben.
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Wenn das Wirbel-Steuerventil 19 geschlossen ist (d.h. der Öffnungswinkel =0°), dann wird die Ansaugluft in den Brennraum 2 ausschließlich durch den primären Einlaßkanal-Abschnitt 5a eingeführt, so daß demzufolge die Ansaugluft eine breite und intensive Drallbewegung aufgeprägt erhält. Steht dagegen das Wirbel-Steuerventil 19 offen oder wird sein Öffnungswinkel vergrössert, so steigt das Mengenverhältnis der durch den sekundären Einlaßkanal- Abschnitt 5b und den primären Einlaßkanal-Abschnitt 5a hindurchströmenden Ansaugluft, so daß dementsprechend die Wirbelbewegung der gesamten Ansaugluft im Brennraum 2 weniger stark ausgeprägt wird. Steht das Wirbel-Steuerventil 19 voll in der Of!einstellung (entsprechend einem Öffnungswinkel = 70°), dann wird nur eine geringfügige Wirbelbewegung der Ansaugluft erzeugt.
Das Wirbel-Steuerventil 19 wird durch eine (nicht gezeigte) Betätigungseinrichtung geöffnet und geschlossen, die beispielsweise eine Membran sein kann, die in Abhängigkeit von oder durch den Ansaug- oder Auspuffdruck betätigt sein kann. Der Öffnungswinkel des Wirbel-Steuerventils 19 wird entsprechend einer Änderung der durchgesetzten Ansaugluftmenge gesteuert, d.h. einer Änderung der Maschinendrehzahl und der Maschinenlast. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist, der Öffnungswinkel des Wirbel-Steuerventils 19 auf 0° eingestellt (voll geschlossen), wenn die Brennkraftmaschine bei niedriger Last und niedriger Drehzahl betrieben wird, so daß der Ansaugluft eine kräftige Drall- oder Wirbelbewegung mitgeteilt wird. Im Bereich hoher Last und hoher Drehzahl ist das Ventil 19 mit einem Öffnungswinkel von 70° eingestellt, um das Entstehen einer Wirbelbewegung zu verhindern, während im Bereich mittlerer Last und mittlerer Drehzahl eine Einstellung auf 20° vorliegt, um dementsprechend nur eine relativ
geringfügige oder schwache Wirbelbewegung zu erzeugen. Im übrigen ergibt sich, daß durch die Öffnung des Wirbel-Steuerventils 19 bei zunehmender Ansaugluftmenge die normalerweise eintretende Herabsetzung des volumetrischen Wirkungsgrades (Ladezahl) aufgrund des der Ansauglauft entgegengesetzten Widerstandes des Wirbel-Steuerventils 19 gemindert werden kann.
Das Brennstoff-Einspritzventil 12 ist in dem Einlaßkanal 5 stromabwärts von dem Wirbel-Steuerventil 19 angeordnet, um den Brennstoff in Richtung auf den Brennraum 2 von einer Stelle aus einzuspritzen, die relativ nahe an der Einlaßöffnung 11 liegt, so daß der eingespritzte Brennstoff direkt durch die Einlaßöffnung 11 in den Brennraum 2 eingebracht wird. Der zeitliche Ablauf bei der Brennstoffeinspritzung und die durch das Brennstoff-Einspritzventil 12 eingespritzte Brennstoffmenge werden durch einen Einspritzimpuls gesteuert, der von einer Steuereinrichtung 22, die in Fig. 1 gezeigt ist, an das Brennstoff-Einspritzventil 12 gegeben wird. Die Wirbel-Steuereinrichtung 15 weist darüber hinaus eine Einrichtung 23 zur Wirbelunterdrückung auf, die positiv das Wirbel-Steuerventil 19 unabhängig von der auf der Charakteristik der Fig. 4 beruhenden Steuerung öffnet. Die Einrichtung 2 3 zur Wirbeluntcrdrückung wird unter der Kontrolle der Steuereinrichtung 22 betätigt.
Die Steuereinrichtung 22 umfasst ein Interface 24, einen CPU 25 und einen Speicher 26. In dem Speicher 26 sind.ein Funktionsprogramm für den CPU 25, das in Fig. 7 gezeigt ist, sowie weitere Daten und Programme gespeichert. An der Steuereinrichtung 22 liegen folgende Signale an: Ein Ansaug-Luftmengensignal des Durchfluß-Meßgerätes 10, ein Kühlwasser-Temperatursignal eines Kühlwasser-Temperaturfühlers 27, ein sich auf die Drosselklappenöffnung be-
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ziehendes Öffnungswinkelsignal eines Öffnungswinkelfühlers an der Drosselklappe 8, der über die Änderung in deren
Öffnungswinkel den Beschleunigungszustand feststellt, ein sich auf die Öffnung des Wirbel-Steuerventils 19 beziehendes Öffnungswinkelsignal eines das Wirbel-Steuerventil 19 abtastenden Öffnungswinkelfühlers 29 und ein die Stellung
der Kurbelwelle repräsentierendes Kurbelwinkelsignal eines Kurbelwinkelfühlers 30, der den Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine 1 und den oberen Totpunkt (TDC) des ersten Zylinders über die Winkelstellung des Verteilers ermittelt. Mit Bezugszeichen 31 ist ein Zündschalter bezeichnet.
Der CPU 25 der Steuereinrichtung 22 bestimmt eine Grund-Einspritzmenge entsprechend der Maschinendrehzahl und der Ansaugluftmenge und korrigiert diese Grund-Einspritzmenge im Sinne einer Erhöhung zu einer tatsächlichen Einspritzmenge, beispielsweise wenn die Brennkraftmaschine kalt ist oder beschleunigt wird. Bei niedriger Maschinenlast steuert der CPU 25 das Brennstoff-Einspritzventil 12 dahingehend, daß das Gemisch jeweils als Schichtladung zugeführt wird. Das besagt, daß der CPU 25 die für einen Arbeitshub erforderliche Brennstoffmenge sowie die Zeitdaten für das
Brennstoff-Einspritzventil bestimmt, die für die Durchführung der Schichtladungstechnik geeignet sind,und dann
entsprechend den ermittelten Werten einen Einspritzimpuls abgibt. So steuert der CPU 25 bei niedriger Maschinenlast das Brennstoff-Einspritzventil 12 derart, daß die für
einen Arbeitshub erforderliche Brennstoffmenge eine vorbestimmte Zeit nach dem Öffnen des Einlaßventils 3 und
vor dessen Schließen eingespritzt wird. Bei kalter Maschine steuert der CPU 25 die Einrichtung 23 zur Wirbelunterdrückung dahingehend, daß das Wirbel-Steuerventil 19
positiv geöffnet wird, so daß dadurch das Entstehen einer Drcill- oder Wirbelbewegung in der in den Brennraum 2
eintretenden Ansaugluft unterdrückt wird. Zugleich wird die Einspritzzeit vorverlegt, so daß die Einspritzung zumindest vor dem Öffnen des Einlaßventiles 3 beginnt.
Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ventilöffnung des Einlaßventiles 3. Dementsprechend ist die Einspritzdauer so festgelegt, daß zur Erzielung einer Schichtladung die Mitte θο der Einspritzdauer nahe dem Zeitpunkt liegt, zu dem die Kolbengeschwindigkeit ein Maximum wird und der im wesentlichen in der Mitte zwischen dem Zeitpunkt IO und dem Zeitpunkt IC liegt. An dem Zeitpunkt IO beginnt das Einlaßventil 3 vor dem oberen Totpunkt TDC zu offnen, während an dem Zeitpunkt IC das Einlaßventil 3 nach dem unteren Totpunkt BDC sehließt. Somit beginnt die Brennstoffeinspritzung vor dem Zeitpunkt, zu dem die Kolbengeschwindigkeit ein Maximum wird, an einem Kurbelwinkel, der der halben Breite des Einspritzimpulses entspricht, und endet nach dem Zeitpunkt, an dem die Kolbengeschwindigkeit an demselben Kurbelwinkel ein Maximum wird. In Fig. 5 ist mit Θ1 der Anfangszeitpunkt und mit Θ2 der Endzeitpunkt der Einspritzdauer bezeichnet. Steigt die Maschinenlast und wird dementsprechend die Impulsbreite des Einspritzimpulses erhöht, dann wird der Anfangszeitpunkt -Θ1 für die Einspritzung vorverlegt und der Endzeitpunkt Θ2 auf später gelegt, jeweils um den gleichen Kurbelwinkel (s. Fig. 5)
Daraus ergibt sich, daß der Brennstoff in dem Brennraum relativ spät beim Ansaughub und bei geöffnetem Einlaßventil 3 eingebracht wird und aufgrund der oben beschriebenen Wirbelbewegung in der Ansaugluft im oberen Bereich des Brennraumes 2 gehalten wird, so daß hierdurch eine Schichtladung erfolgt. Um diese Schichtladung ausgeprägt auszuführen, wird normalerweise Wert darauf gelegt, daß der Bronnstoff unmittelbar vor dem Schließen des Einlaßventils 3, d.h.
spät während des Ansaughubes, eingespritzt wird. Vom Standpunkt der Verbrennung aus gesehen ist das jedoch nachteilig, weil dabei der Brennstoff in den Brennraum 2 in einem unzureichend zerstäubten und verdampften Zustand eintritt. Wenn somit eine gute Schichtbildung des Luft/Brennstoff-Gemisches dank der Wirbelbewegung des Gemisches erzielbar ist und aufrechterhalten werden kann, ist es besser, den Endzeitpunkt der Brennstoffeinspritzung nach vorne zur Mitte des Ansaughubes hin zu verlegen, wenn die Kolbengeschwindigkeit ein Maximum ist. Hierdurch wird die Brennstoffzerstäubung begünstigt und dadurch die Verbrennung im Brennraum 2 verbessert.
Bei kalter Maschine verlegt der CPU 25 den Anfangszeitpunkt Θ1 der Brennstoffeinspritzung nach vorne, so daß die Einspritzung unmittelbar nach dem Schließen des Einlaßventiles 3 nach Beendigung des vorhergehenden Ansaughubes erfolgt, wie das in Fig. 6A gezeigt ist. In diesem Fall wird der Anfangszeitpunkt Θ1 der Einspritzung zuerst bestimmt und anschließend der Endzeitpunkt Θ2 der Einspritzung ausgehend vom Anfangszeitpunkt Θ1 und auf der Grundlage der Impulsbreite des Einspritzimpulses festgelegt. Dementsprechend ist bei kalter Maschine die Brennstoffeinspritzung bereits vor dem Zeitpunkt IO abgeschlossen, zu dem das Einlaßventil 3 zu öffnen beginnt, und der eingespritzte Brennstoff hat bereits Kontakt mit den Wandungen der Brennkraftmaschine 1 gehabt, wodurch die Zerstäubung und Verdampfung begünstigt ist. Wenn in diesem Zustand eine starke Wirbelbewegung erzeugt wird, dann besteht die Gefahr, daß der zuerst in den Brennraum 2 eingebrachte Brennstoff nach unten gedrückt wird und in dem unteren Bereich des Brennraumes 2 verbleibt, so daß hierdurch gerade eine umgekehrte Schichtbildung einsetzt. Folglich betätigt der CPU 25 die Einrichtung 23 zur Wirbelunterdrückung, so daß diese das Wirbel-Steuerventil 19 öffnet und die Erzeugung eines Dralls in dem Brenn-
-AS ■
raum 2 unterbindet. Das hat zur Folge, daß bei kalter Brennkraftmaschine 1 der Brennstoff in dem Brennraum 2 gleichförmig verteilt wird. Da außerdem bei kalter Maschine die Einspritzmenge erhöht ist, lässt sich das Luft/Brennstoff-Gemisch trotz der gleichförmigen Verteilung im Brennraum 2 sicher zünden.
Anstelle einer Festsetzung des Anfangszeitpunktes der Brennstoffeinspritzung so, daß die Einspritzung vor dem Öffnen des Einlaßventiles 3 abgeschlossen ist, kann die Einstellung auch so erfolgen, daß die Einspritzung vor dem Öffnen des Einlaßventiles 3 einsetzt, jedoch nach dem Öffnen des Einlaßventiles 3 endet, wie das in Fig. 6B gezeigt ist. -^
Fig. 7 zeigt das Flußdiagramm des Programmablaufes des CPU 2 in der Steuereinrichtung 22. Wird die Brennkraftmaschine 1 gestartet, dann liest der CPU 25 die Signale des Kurbelwinkclfühlers 30, des Durchfluß-Meßgerätes 10, des Kühlwasser-Temperaturfühlers 27, des Fühlers 28, der die Öffnung des Drosselventils 8 ermittelt, und des Fühlers 29, der die Öffnung des Wirbel-Steuerventils 19 feststellt, ab und speichert die Signalwerte jeweils in Registern T-, A, Wl, V und K (Schritte Sl bis S5). Daraufhin ermittelt der CPU 25 im Schritt S6, ob die Brennkraftmaschine 1 gestartet ist oder nicht. Ist die Brennkraftmaschine 1 gestartet, dann geht der CPU 25 zum Schritt S7 weiter und speichert eine vorbestimmte Start-Einspritzmenge ß an Brennstoff in einem Register I. In dem Schritt S8 erzeugt der CPU 25 einen Start-Einspritzimpuls entsprechend dem Wert des Registers I und gibt diesen an eines der Brennstoff-Einspritzventile 12, das über das TDC-Signal des ersten Zylinders bestimmt ist. Anschließend kehrt der CPU 25 zum Schritt Sl zurück. Nach dem Anlaufen der Maschine kann die Brennstoff-Einspritzmenge nicht
auf der Basis der Ansaugluftmenge bestimmt werden und deshalb wird der Start-Einspritzimpuls mit einer vorbestimmten Impulsbreite erzeugt.
Ist die Brennkraftmaschine 1 angelaufen, so geht der CPU zum Schritt S9 weiter, in welchem er die Maschinendrehzahl aufgrund des in dem Register T gespeicherten Kurbelwinkels errechnet und das Ergebnis in einem Register R speichert. Anschließend, im Schritt SlO, errechnet der CPU 25 eine Grund-Einspritzmenge aufgrund der in dem Register R gespeicherten Maschinendrehzahl und der im Register A enthaltenen Ansaugluftmenge und speichert das Ergebnis in Register I, In dem Schritt SlI errechnet der CPU 25 die Beschleunigung dV/dt aus dem Inhalt des Registers V und bestimmt, ob die Beschleunigung dV/dt grosser als ein vorgegebener Wert ist oder nicht, d.h. er bestimmt, ob das Fahrzeug beschleunigt wird oder nicht. Ergibt sich, daß das Fahrzeug beschleunigt wird, dann geht der CPU 25 zum Schritt Sl2 weiter und speichert in einem Register C2 einen vorgegebenen Wert ßl. Andernfalls setzt der CPU 25 in dem Schritt S13 den Wert des Registers C2 auf Null. Der vorgegebene Wert ßl kann entweder ein Festwert sein oder entsprechend dem Ausmaß der Beschleunigung verändert werden. In dem nächsten Schritt Sl4 vergleicht der CPU 25 die Kühlwassertemperatur in dem Register Wl mit einem vorgegebenen Wert WO, der z.B. 600C beträgt. Liegt die Kühlwassertemperatur niedriger als der vorgegebene Wert WO, so multipliziert der CPU 25 die Differenz WO-Wl mit einem Korrekturkoeffizienten und erhält damit eine von der Temperatur abhängige Korrektur-Einspritzmenge. Diese temperaturabhängige Korrektur-Einspritzmenge sowie der in dem Register C2 enthaltene Wert, der eine von der Beschleunigung abhängige Korrektur-Einspritzmenge bedeutet, werden zu der Grund-Einspritzmenge in dem Register I addiert, so daß dadurch die tatsächliche Brennstoff-Einspritzmenge
./77.
erhalten wird. Anschließend wird diese tatsächliche Brennstoff-Einspritzmenge, d.h. der Wert 1+Cl(WO-Wl)+C2, wieder in dem Register I gespeichert. In dem anschließenden Schritt Sl5 bestimmt der CPU 25 einen Einspritz-Kurbelwinkel θ auf der Basis der tatsächlichen Brennstoff-Einspritzmenge in dem Register I und speichert diesen in einem Register Θ.
In dem Schritt Sl6 .vergleicht der CPU 25 die Kühlwassertemperatur, die in dem Register Wl gespeichert ist, mit dem vorgegebenen Wert WO und bestimmt dadurch, ob die Brennkraftmaschine 1 kalt ist oder nicht. Wird festgestellt, daß die Brennkraftmaschine 1 bereits hinreichend warm ist, dann werden der Anfangszeitpunkt Θ1 der Brennstoffeinspritzung im Schritt S17 und der Endzeitpunkt Θ2 der Brennstoffeinspritzung im .Schritt S18 bestimmt. Wie oben erläutert, wird der Anfangszeitpunkt Θ1 der Einspritzung durch Subtrahieren von Θ/2 ( θ entspricht hierbei der tatsächlichen Einspritzmenge und ist im Register θ gespeichert) von dem Mittelwert Θ0 (Fig. 5) der Einspritzdauer, der im wesentlichen in der Mitte des Ansaughubes liegt, bestimmt. Der Endzeitpunkt Θ2 der Brennstoffeinspritzung wird dadurch bestimmt, daß θ/2 zu dem Mittelwert Θ0 der Einspritzdauer hinzugezählt wird. Wird dagegen festgestellt, daß die Brennkraftmaschine 1 kalt ist, dann liefert der CPU 25 ein Steuersignal an die Einrichtung 23 zur Wirbelunterdrückung, die daraufhin das Wirbel-Steuerventil 19 um einen voreingestellten Winkel öffnet, so daß hierdurch die Erzeugung einer Wirbelbewegung im Änsauggcmisch unterbunden wird (Schritt S19). Anschließend wird der Anfangszeitpunkt Θ1 der Brennstoffeinspritzung bei kaltem Zustand der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Kennfeld in dem Schritt S20 ermittelt und der Endzeitpunkt Θ2
der Einspritzung aufgrund des ermittelten Anfangszeitpunktes Θ1 sowie aufgrund des in dem Register θ gespeicherten (temperatur-korrigierten) Kurbelwinkels, der der tatsächlichen Einspritzmenge entspricht, im Schritt S21 errechnet.
Sowohl bei kalter Brennkraftmaschine 1 als auch bei bereits beendigtem Warmlaufen der Brennkraftmaschine 1 wartet der CPU 25 in dem Schritt S22 auf den Anfangszeitpunkt Θ1 für die Einspritzung, der im Schritt S17 oder im Schritt S20 bestimmt worden ist. Tritt der Anfangszeitpunkt Θ1 für die Einspritzung dann ein, dann gibt der CPU 25 ein "1"-Signal an das Brennstoff-Einspritzventil 12 (Schritt S23) und wartet dann im Schritt S24 wieder auf das Herankommen des Endzeitpunktes Θ2 für die Einspritzung, Tritt dieser Endzeitpunkt Θ2 ein, dann beendet der CPU 25 die Ausgabe des "1"-Signals (Schritt S25) und kehrt wieder zu dem Schritt Sl zurück.
Wie sich aus dem vorstehenden ergibt, wird bei der Brennkraftmaschine 1 gemäß dem geschilderten Ausführungsbeispiel die Grund-Einspritzmenge an Brennstoff in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl und der Ansaugluftmenge bestimmt und die tatsächliche Einspritzmenge dann durch Korrektur im Sinne einer Erhöhung der Grund-Einspritzmenge für den Fall errechnet, daß die Brennkraftmaschine 1 kalt ist und/oder beschleunigt wird. Dann werden der Anfangszeitpunkt und der Endzeitpunkt für die Brennstoffeinspritzung in Abhängigkeit von der tatsächlichen Brennstoff-Einspritzmenge ermittelt und zwar auf unterschiedliche Weise, je nach dem die Brennkraftmaschine 1 kalt ist oder nicht. Ist die Brennkraftmaschine 1 kalt, so wird die Einspritzzeit dahingehend korrigiert, daß sie auf früher verlegt wird, so daß die Einspritzung einsetzt, bevor das Einlaßventil 3 öffnet. Dadurch wird die Zerstäubung und Verdampfung des
Brennstoffes begünstigt und die Verbrennung verbessert. Ist dagegen die Brennkraftmaschine 1 warm oder warmgelaufen, dann wird hierdurch eine gute Schichtbildung des Luft/ Brennstoff-Gemisches gewährleistet, was zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit (Brennstoffeinsparung) und der Verbrennungsgüte führt.
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die einzuspritzende Brennstoffmenge in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl und der Ansaugluftmenge gesteuert, indem die Einspritzdauer verändert wird. Jedoch kann die einzuspritzende Brennstoffmenge auch dadurch gesteuert werden, daß sowohl die Einspritzdauer als auch der an dem Brennstoff-Einspritzventil anliegende Brennstoffdruck verändert werden.
Die Fig. 8 zeigt eine Modifikation der Anordnung des Einlaßkanales. Dementsprechend münden ein primärer Einlaßkanal 35 und ein sekundärer Einlaßkanal 36 getrennt voneinander in dem Brennraum 2. Der primäre Einlaßkanal 35 steht mit einer primären Einlaßöffnung 39 in Verbindung, die durch ein primäres Einlaßventil 37 geöffnet und verschlossen wird. Der sekundäre Einlaßkanal 36 steht mit einer sekundären Einlaßöffnung 40 in Verbindung, die durch ein sekundäres Einlaßventil 38 geöffnet und verschlossen wird. Mit dem Bezugszeichen 41, 43 und 44 sind jeweils ein Auslaßkanal, der mit einer Auslaßöffnung 42 verbunden ist, ein Auslaßventil und eine Zündkerze bezeichnet. Der stromabseitige Endabschnitt des primären Einlaßkanales 3 5 ist so gekrümmt, daß die hindurchströmende Ansaugluft in den Brennraum 2 in zum Zylinder C tangentialer Richtung eingeführt wird und dadurch eine Wirbelbewegung in Umfangsrichtung des Zylinders C erzeugt. Der stromaufseitige Endabschnitt des primären Einlaßkanales 35 geht in
den sekundären Einlaßkanal 36, stromab von dem Drosselventil 8, über. In dem sekundären Einlaßkanal 36 ist wieder das Wirbel-Steuerventil 19 angeordnet, das mit der (nicht gezeigten) Betätigungseinrichtung und der Einrichtung zur Wirbeluntordrückung verbunden ist, um dadurch die Wirbelbewegung der Ansaugluft zu steuern.
Ist das Wirbel-Steuerventil 19 voll geschlossen, so tritt Ansaugluft in den Brennraum 2 ausschließlich durch den primären Einlaßkanal 35 ein und erzeugt dadurch eine stiirke Drallbewegung. Ist das Wirbel-Steuerventil 19 geöffnet, so gelangt Ansaugluft in den Brennraum 2 auch durch den sekundären Einlaßkanal 36. Da hierdurch die durch den primären Einlaßkanal 35 strömende Ansaugluftmenge verringert ist, wird entsprechend der im Brennraum 2 erzeugte Wirbel allmählich abgeschwächt.
Jn dem primären Einlaßkanal 35 ist ein Brennstoff-Einspritzventil 12 angeordnet, das den Brennstoff in Richtung auf die Zündkerze 44 in den Brennraum 2 einspritzt, wenn das primäre Einlaßventil 37 offensteht. Die Einspritzmenge und die Einspritzzeit des Brennstoff-Einspritzventiles sowie das Öffnen und Schließen des Wirbel-Steuerventils 19 werden durch eine Steuereinrichtung gesteuert, die der vorstehend beschriebenen Steuereinrichtung 22 ähnlich ist. Das besagt, daß zumindest bei niedriger Maschinenlast die Ansaugluft eine starke Drallbewegung mitgeteilt bekommt und zugleich der Brennstoff im wesentlichen in der Mitte der Öffnungsdauer des primären Einlaßventils 37 eingespritzt wird, um das Gemisch als Schichtladung zuzuführen. Ebenso gilt, daß bei kalter Maschine die Brennstoffeinspritzung vor dem Öffnen des primären Einlaßventiles 37 einsetzt und die Erzeugung einer Wirbelbewegung unterdrückt wird, um hierdurch die Zerstäubung
- yf- '
und Verdampfung des Brennstoffes zu fördern.
Durch die vorstehend beschriebene Wirbel-Steuereinrichtung wird der Wirbel durch eine Veränderung des Mengenverhältnisses an Ansaugluft gesteuert, die jeweils den primären Einlaßkanal 5a oder 35 bzw. den sekundären Einlaßkanal 5b oder durchströmt, was durch eine Steuerung des Wirbel-Steuerventils 19 erfolgt. Abweichend davon können jedoch auch andere, den Wirbel oder Drall beeinflussende Steuereinrichtungen eingesetzt werden. So ist z.B. die Verwendung einer Wirbel-Steuereinrichtung möglich, bei der nur ein einziger Einlaßkanal vorliegt und eine Wirbel-Steuerklappe drehbar in dem stromabseitigen Endabschnitt dieses einzigen Einlaßkanales liegt, so daß die effektive Querschnittsflache des Einlaßkanales durch Verdrehen der Wirbel-Stouerklappc verändert wird und außerdem die Ansaugluft in den Brennraum in tangentialer Richtung zu diesem eingeleitet wird.
Weiterhin kann auch anstelle der stufenweisen Veränderung der Wirbelbewegung in der Ansaugluft entsprechend dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an eine kontinuierliche Veränderung bei einer Veränderung der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gedacht werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsboispiel wird dann, wenn die Maschine nicht kalt ist, der Brennstoff ohne Rücksicht auf die Maschinenlast im Ansaughub eingespritzt. Da aber bei hoher Maschinenlast in dem Luft/Brennstoff-Gemisch eine Schichtbildung nicht erforderlich ist, und sogar eher eine gleichmässige Verteilung gewünscht ist, kann die Einspritzzeit zugleich mit der Wirbelunterdrückung bei hoher Maschinenlast auf früher verlegt werden.
Anstelle der in dem Ausführungsbeispiel gezeigten Klappenventile können auch andere Ventile eingesetzt werden.
-W-
- Leerseite

Claims (6)

  1. MAZDA MOTOR CORP.
    No. 3-1 Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima-ken, Japan
    - 24 951 20/h
    Brennkraftmaschine mit Brennstoff-Einspritzung
    Patentansprüche
    /1J Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung, mit einem in einem Zylinder ausgebildeten Brennraum, einem über ein Einlaßventil zu dem Brennraum führenden Einlaßkanal, einem in dem Einlaßkanal nahe dem Brennraum angeordneten Brennstoff-Einspritzventil und einer Wirbel-Steuereinrichtung zur Steuerung einer in Umfangsrichtung des .r-Zylinders verlaufenden Wirbelbewegung der in den Brennraum eintretenden Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die η Wirbel-Steuereinrichtung (15) in eine erste Stellung, in der die Luft einen starken Drall erhält, und in eine zweite Stellung einstellbar ist, in der eine Wirbelbildung der Luft unterdrückt wird, daß eine Steuereinrichtung (22) vorgesehen ist, die zumindest bei niedriger Maschinenlast die Wirbel-Steuereinrichtung (15) in die erste Stellung einstellt und das Brennstoff-Einspritzventil (12) derart steuert, daß die Einspritzung einer für einen Arbeitshub erforderlichen Brennstoffmenge in einer vorbestimmten Zeit nach dem Öffnen des Einlaßventils (3; 37, 38) und während des Ansaughubes erfolgt, und daß eine Korrektureinrichtung vorgesehen ist, die bei kalter Maschine und niedriger Maschinenlast die Wirbel-Steuereinrichtung (15) auf die zweite Stellung einstellt und das Brennstoff-Einspritzventil (12) dahin-
    35150A3
    gehend steuert, daß die Einspritzung vor dem Öffnen des Einlaßventiles (3; 37, 38) einsetzt.
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung das Brennstoff-Einspritzventil (12) so steuert, daß die Einspritzung vor dem Öffnen des Einlaßventils einsetzt und beendet ist.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung das Brennstoff-Einspritzventil (12) so steuert, daß die Einspritzung unmittelbar nach dem Schließen des Einlaßventils in dem vorhergehenden Ansaughub einsetzt.
  4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung das Brennstoff-Einspritzventil (12) so steuert, daß die Einspritzung vor dem Öffnen des Einlaßventils einsetzt und in der ersten Hälfte des Ansaughubes, nach dem Öffnen des Einlaßventils, endet.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel-Steuereinrichtung (15) bei hoher Last und hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine in die zweite Stellung einstellbar ist.
  6. 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (5) mit dem Brennraum (2) über eine einzige Einlaßöffnung (11) verbunden ist, die durch das Einlaßventil (3) gesteuert ist, daß der Einlaßkanal (5) einen primären und einen sekundären Einlaßkanal-Abschnitt (5a bzw. 5b) aufweist, von denen der primäre Einlaßkanal-Abschnitt (5a) unter dem sekundären Einlaßkanal-Abschnitt (5b) angeordnet und so ausgebildet ist, daß er dem Brennraum (2) Luft in weitgehend horizontaler Richtung zu-
    führt, und daß die Wirbel-Steuereinrichtung (15) ein Wirbel-Steuerventil (19) in dem sekundären Einlaßkanal-Abschnitt (5b) aufweist und den Luftstrom darin steuert.
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