DE19642653C1 - Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in einer direktein­ spritzenden Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 43 24 642 A1 ist bereits eine direktein­ spritzende Brennkraftmaschine bekannt, bei der in jedem Zy­ linder von einem Kolben ein Brennraum begrenzt ist, in den ein zentral im Brennraumdach angeordneter Injektor Kraft­ stoff zur inneren Bildung eines zündfähigen Kraft­ stoff/Luft-Gemisches einspritzt. Die Elektroden einer Zünd­ kerze ragen in der Nähe der Düsenöffnung des Injektors in den Kraftstoffstrahl ein, wodurch im Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine mit Schichtladung die stabile Verbren­ nung eines insgesamt mageren Gemisches durch Zündung eines fetteren Gemisches in der Nähe der Elektroden der Zündkerze erfolgt, welches durch Einspritzung von Kraftstoff in einer späteren Phase des Verdichtungshubes des Kolbens bereitge­ stellt ist. Die Brennkraftmaschine umfaßt eine elektro­ nische Steuereinheit, welche die von dem Injektor einge­ spritzte Kraftstoffmenge und den Einspritzzeitpunkt sowie den Zündzeitpunkt der Zündkerze betriebspunktoptimal steuert, wodurch die Verbrennungscharakteristik über die festgelegten Faktoren wie Einspritzdruck, Form und Größe der Düsenöffnung, Brennraumform, Verdichtungsverhältnis usw. hinaus beeinflußbar ist.

Diese Variationsmöglichkeiten der Einspritzparameter rei­ chen jedoch unter vielen Betriebsbedingungen der Brenn­ kraftmaschine nicht aus, um bei Schichtladungsbetrieb über weite Bereiche des Kennfeldes der Brennkraftmaschine die Optimierung der inneren Gemischbildung mit geringem Kraft­ stoffverbrauch und Emissionen zu gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bil­ dung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in direkt­ einspritzenden Brennkraftmaschinen bereitzustellen, welches unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine die Optimierung der inneren Gemischbildung in jedem Betriebs­ punkt, insbesondere im Schichtladungsbetrieb ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Indem bei der Kraftstoffeinspritzung der Öffnungshub des Ventilgliedes relativ zum Ventilsitz eines Injektors und die Einspritzzeit variabel einstellbar sind, sind mehrere Vorteile erzielt. Grundsätzlich ist es möglich, mit einem entsprechenden Öffnungshub des Ventilgliedes eine bestimmte Kraftstoffmenge während einer variablen Dauer der Ein­ spritzzeit in den Brennraum einzuspritzen und damit die innere Gemischbildung, d. h. im Schichtladungsbetrieb die Kraftstoffkonzentration bzw. die Luftverhältnisse (Lambda- Werte) der durch den eingespritzten Kraftstoffstrahl im Brennraum gebildeten Gemischwolke, über den Faktor der Ein­ spritzzeit zu steuern. Dabei wird der Kraftstoff vom In­ jektor vorteilhaft in einem sich aufweitenden Kegelstrahl in den Brennraum eingespritzt, wodurch abhängig von dem Einspritzzeitpunkt im Schichtladungsbetrieb der Brennkraft­ maschine eine Gemischwolke mit unterschiedlichen Lambda- Werten entsprechend dem Einspritzwinkel des Kegelstrahls im Brennraum ausgebildet ist. Durch die Variationsmöglichkei­ ten des Öffnungshubes des Ventilgliedes ist der Einspritz­ winkel des Kegelstrahls ebenfalls variabel einstellbar.

Vorteilhaft ist der Einspritzwinkel des Kegelstrahls mit zunehmendem Öffnungshub des Ventilgliedes größer, wodurch die Strahlcharakteristik des Kegelstrahls, welche bei ein­ zelnen Injektoren unterschiedlich sein kann, zur Erzielung eines optimalen Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine anpaßbar ist. Die unterschiedlichen Strahlcharakteristiken treten aufgrund von Streuungen in der Serienfertigung von Injektoren oder auch Zylinderköpfen usw., aber auch auf­ grund von Verschleiß oder Ablagerungen mit zunehmender Be­ triebszeit der Brennkraftmaschine auf und können z. B. durch Strahlsträhnigkeit zu für die Entzündung ungünstigen Lambda-Werten vor allem im Bereich der Zündkerze durch eine ungünstige Lage der Gemischwolke im Brennraum führen. Der variabel einstellbare Öffnungshub des Ventilgliedes ermög­ licht in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch die Einspritzung mit einem geeigneten Einspritzwinkel die Bereitstellung des zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches an den Elektroden der Zündkerze.

Mit Vorteil ist der Öffnungshub des Ventilgliedes jedes Zylinders individuell einstellbar, so daß mit gegebenen­ falls unterschiedlichen Einspritzwinkeln die Strahl­ charakteristiken der einzelnen Injektoren in den Zylindern zur Erzielung eines optimalen Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine optimal anpaßbar sind.

Vorteilhaft ist der Öffnungshub des Ventilgliedes während des Einspritzvorganges verstellbar, wodurch eine dynamische Beeinflussung des Einspritzwinkels und auch des Kraftstoff- Massenstromes durch die Düsenöffnung möglich ist. Die Ver­ größerung des Einspritzwinkels während der Einspritzung er­ reicht eine freie Wählbarkeit des Brennbeginns, indem zu diesem Zeitpunkt brennbares Gemisch in den Bereich der Elektroden der Zündkerze gebracht ist. Die Benetzung der Elektroden mit Kraftstoff und in der Folge die Verkokung durch Verbrennung des Kraftstoffes sind minimiert und somit ist die Lebensdauer der Zündkerze erhöht. Die Verkleinerung des Öffnungshubes des Ventilgliedes und somit die Ver­ ringerung des Kraftstoff-Massenstromes durch die Düsen­ öffnung erlaubt im Gegensatz zu einem konstanten Kraft­ stoff-Massenstrom bei gleichbleibendem Öffnungshub des Ven­ tilgliedes, wo in der Gemischwolke in den düsenfernen Be­ reichen magere Gemische mit hohen Lambda-Werten und in den düsennahen Bereichen fette Gemische mit geringen Lambda- Werten ausgebildet sind, die Ausbildung von Gemischwolken mit optimalen Lambda-Gradienten oder auch annähernd kon­ stanten Luftverhältnissen.

Die Einstellung des Öffnungshubes des Ventilgliedes und der Einspritzzeit erfolgt zum verbrauchs- und emissions­ optimierten Betrieb der Brennkraftmaschine unter Zugrunde­ legung der für den jeweils vorliegenden Betriebspunkt in einem Einspritzkennfeld abgelegten Einstellungsparametern des Öffnungshubes und der Einspritzzeit. Im Betrieb der Brennkraftmaschine mit den eingestellten Parametern des Öffnungshubes des Ventilgliedes und der Einspritzzeit wer­ den Motorparameter, z. B. die Laufruhe der Brennkraftmaschi­ ne, gemessen und mit den für den jeweils vorliegenden Be­ triebspunkt der Brennkraftmaschine in einem Motorkennfeld abgelegten Sollwerten verglichen. Abweichungen der gemes­ senen Motorparameter von den abgelegten Sollwerten können z. B. bei der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine infolge Serienstreuung bei der Fertigung der an der Ein­ spritzung beteiligten Bauteile oder auch nach einem langen Betriebszeitraum durch Verschleiß oder Ablagerungen auftre­ ten. Ist die Laufruhe der Brennkraftmaschine unzufrieden­ stellend, so erfolgt eine Variation des Öffnungshubes des Ventilgliedes bis ein optimales Betriebsverhalten mit Über­ einstimmung der gemessenen Motorparameter und der Sollwerte des Motorkennfeldes erreicht ist. Die ermittelten Ideal­ parameter werden im Einspritzkennfeld abgelegt und ersetzen die bisherigen Einstellungsparameter für diesen Betriebs­ punkt, wobei im Fall des wiederholten Anfahrens dieses Be­ triebspunktes die nunmehr abgelegten Idealparameter der Einstellung des Öffnungshubes des Ventilgliedes und der Einspritzzeit zugrunde gelegt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur inneren Gemischbildung in Otto-Brennkraftmaschinen geeignet. Dabei beträgt der Öffnungshub des Ventilgliedes vorteilhaft maxi­ mal 0,1 mm, wodurch infolge geringer Hubwege bei großem Kraftstoff-Durchsatz durch die Ventilöffnung kurze Öff­ nungszeiten ermöglicht sind. Im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine ist der Öffnungshub des Ventilgliedes zwischen etwa 0,02 mm und etwa 0,06 mm einstellbar und er­ möglicht die Ausbildung von Gemischwolken im Brennraum mit unterschiedlichsten Luftverhältnissen, wodurch eine ver­ brauchs- und emissionsoptimierte Schichtverbrennung durch­ führbar ist. Der vom Öffnungshub des Ventilgliedes ab­ hängige Einspritzwinkel des Kegelstrahls beträgt vorteil­ haft zwischen etwa 70° und 100° und stellt sicher, daß außerhalb der Kernzone des Brennraums angeordnete Elektro­ den einer Zündkerze im Schichtladungsbetrieb in die Ge­ mischwolke einragen und bei geringfügigen Ablagerungen in­ folge Kraftstoff-Benetzung zuverlässig zünden. Der Faktor der Einspritzzeit während der Freigabe der Düsenöffnung des Injektors erlaubt in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Einspritzung einer bestimmten Kraftstoffmenge mit einem spezifischen Öffnungshub des Ventilgliedes die Steuerung der inneren Gemischbildung, d. h. im Schichtladebetrieb die Luftverhältnisse der Gemischwolke. Erfolgen in einem Arbeitsspiel des Kolbens mehrere Kraftstoff-Einspritzungen in den Brennraum, so ist eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der inneren Gemischbildung gegeben.

Das Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraft­ stoff/Luft-Gemisches in einer direkteinspritzenden Brenn­ kraftmaschine ist beispielsweise durch Verwendung des In­ jektors durchführbar, welcher Gegenstand der deutschen Pa­ tentanmeldung DE 195 48 526.2 ist.

Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 einen Zylinderquerschnitt einer direkteinspritzen den Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Querschnitt eines Injektors,

Fig. 3 ein Flußdiagramm der Steuerung eines Injektors,

Fig. 4 in einem Diagramm die Einstellungsparameter des In­ jektors in Abhängigkeit von der Motordrehzahl,

Fig. 5 in einem Diagramm die Einstellungsparameter des In­ jektors in Abhängigkeit von der Abgasrückführungs­ rate bzw. der Drosselung der Brennkraftmaschine,

Fig. 6 in einem Diagramm die Einstellungsparameter des In­ jektors in Abhängigkeit von der Aufladung der Brennkraftmaschine,

Fig. 7 in einem Diagramm den Einspritzwinkel des Kegel­ strahls in Abhängigkeit vom Öffnungshub,

Fig. 8 in einem Diagramm die Veränderung des Einspritzwin­ kels während der Einspritzzeit,

Fig. 9 in einem Diagramm den Durchsatz der Düsenöffnung in Abhängigkeit vom Öffnungshub,

Fig. 10 in einem Diagramm die Änderung des Öffnungshubes während der Einspritzdauer.

Fig. 1 zeigt einen Zylinder 2 einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine 1, in dem ein längsbeweglich angeordne­ ter Kolben 3 mit einem den Zylinder 2 verschließenden Zy­ linderkopf 28 einen Brennraum 4 begrenzt. In zentraler Lage auf der Längsachse 24 des Zylinders 2 durchsetzt ein In­ jektor 5 den Zylinderkopf 28 und ist mit seiner Düsen­ öffnung 6 durch ein sich kegelig erweiterndes Brennraumdach 29 in den Brennraum 4 geführt. Eine Steuereinheit (nicht dargestellt) bestimmt spezifisch für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 den zur Stellung des Kolbens 3 im Zylinder 2 gehörigen Zeitpunkt der Freigabe der Düsen­ öffnung 6, ab dem Kraftstoff in einem Kegelstrahl 9 in den Brennraum 4 eingespritzt wird. Der Einspritzwinkel α des Kegelstrahls 9 ist dabei bestimmt durch den Öffnungshub eines Ventilgliedes in der Düsenöffnung 6. Im Brennraum 4 ist mit der durch einen Einlaßkanal 12 im Zylinderkopf 28 zuführbaren Frischluft und dem eingespritzten Kraftstoff ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch bildbar, welches im Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine 1 mit Kraftstoff­ einspritzung im Kompressionshub des Kolbens 3 in Form einer mit dem Öffnungswinkel α des Kegelstrahls 9 ausgebildeten Gemischwolke 10 vorliegt, welche sektional unterschiedliche Luftverhältnisse (Lambda-Werte) aufweist.

Eine Zündkerze 11 ragt den Zylinderkopf 28 durchsetzend durch einen Kegelschenkel des Brennraumdaches 29 derart in den Brennraum 4, daß die Elektroden in die Gemischwolke 10 einstechen und durch Auslösung eines Zündfunkens die Ge­ mischwolke 10 am Rand entzünden. Liegt durch Strähnigkeit des Kegelstrahls 9 oder infolge von Serienstreuung des Injektors 5, der Düsenöffnung 6, des Zylinderkopfes 28 usw. oder durch Verschleiß oder Ablagerungen auf den Elektroden der Zündkerze 11 oder auf der Düsenöffnung 6 an den Elektroden der Zündkerze 11 kein zündfähiges Gemisch vor, so kann durch Veränderung des Einspritzwinkels α die Lage der Gemischwolke 10 im Brennraum 4 verändert werden und an den Elektroden ein zündfähiges Gemisch bereitgestellt werden.

Fig. 2 zeigt in einem Querschnitt den schematischen Aufbau eines Injektors 5 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur inneren Gemischbildung. In einem zylindrisch um eine Längsachse 24 ausgebildeten Injektorgehäuse 15 ist eine Kraftstoffkammer 13 ausgebildet, welche von einem Ven­ tilschaft 17 durchsetzt ist. Der Ventilschaft 17 endet in einem kegelig bzw. konisch ausgebildeten Ventilglied 7, welches von außen an einem Ventilsitz 8 in der Laibung einer Düsenöffnung 6 anliegt. Bei axialer Verschiebung des Ventilschaftes 17 hebt sich das Ventilglied 7 von dem Ven­ tilsitz 8 ab, wodurch dieses die Düsenöffnung 6 zum Auslaß des in der Kraftstoffkammer 13 unter Druck stehenden Kraft­ stoffes freigibt. Der Öffnungshub des Ventilgliedes 7 und die Dauer der Freigabe der Düsenöffnung 6 (Einspritzzeit) bestimmt dabei im Rahmen der inneren Gemischbildung sowohl den Kraftstoffdurchsatz durch die Düsenöffnung 6 und die gesamte Einspritzmenge als auch den Einspritzwinkel des von der Düsenöffnung 6 ausgehenden Kegelstrahls, welcher insbesondere die Gemischbildung im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine durch Ausbildung einer Gemischwolke im Brennraum beeinflußt.

Dem Ventilglied 7 gegenüberliegend ist der Ventilschaft 17 unter Ausbildung einer breiten Ringschulter 19 mit einem Druckkolben 27 verbunden, welcher von einem nach innen ge­ richteten und die Kraftstoffkammer 13 begrenzenden Füh­ rungsabschnitt 33 des Injektorgehäuses 15 geführt ist. Der Druckkolben 27 ragt dabei in einen auf der der Kraftstoff­ kammer 13 gegenüberliegenden Seite des Führungsabschnittes 33 im Injektorgehäuse 15 ausgebildeten Elongationsraum 16 ein, in dem eine mechanische Wandlervorrichtung für elektrische Impulse angeordnet ist. Die Wandlervorrichtung kann z. B. ein Piezoelement 23 sein, welches am in den Elongationsraum 16 einragenden Endabschnitt des Druckkol­ bens 27 formschlüssig anliegt und bei Anlegen einer elektrischen Spannung durch die eigene Elongation den Druckkolben 27 verschiebt und infolge dessen die Düsen­ öffnung 6 zur Abspritzung von Kraftstoff aus der Kraft­ stoffkammer 13 freigibt. Die Elongation des Piezoelementes 23 ist gemäß dem piezoelektrischen Effekt proportional der angelegten Spannung, wodurch der Öffnungshub des Ventil­ gliedes 7 durch Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung exakt steuerbar und variabel einstellbar ist.

Zum Verschließen der Düsenöffnung 6 wird die elektrische Spannung am Piezoelement 23 reduziert, welches sich infolge dessen verkürzt. Eine Druckfeder 18 in der Kraftstoffkammer 13, welche sich an der Ringschulter 19 des Druckkolbens 27 einerseits sowie an der Innenseite des Injektorgehäuses 15 benachbart der Düsenöffnung 6 andererseits abstützt, wird das Ventilglied 7 in den Ventilsitz 8 zurückgedrängt. Ist die Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritz­ system ausgerüstet, wobei die Kraftstoffkammer 13 über die Kraftstoffzuleitung im Injektorgehäuse 15 unter hohem Druck steht, so wird die das Ventilglied 7 in den Ventilsitz 8 zum Schließen der Düsenöffnung 6 drängende Rückstellkraft dadurch aufgebracht, daß der Druckkolben 27 einen größeren Durchmesser aufweist als die Düsenöffnung 6. Die größere, druckbeaufschlagte Fläche des Druckkolbens 27 bewirkt eine Verschiebung des Druckkolbens 27 mit dem Ventilschaft 17 in Schließstellung. Die zur Steuerung des Öffnungshubes des Ventilgliedes 7 notwendigen elektrischen Spannungen sind um den Betrag einer elektrischen Spannung höher, welche zur Überwindung der in der Kraftstoffkammer 13 auf den Druck­ kolben 27 durch die Differenzdruckfläche ausgeübten Druck­ kraft notwendig ist, welche das Ventilglied in die Ver­ schließstellung drängt.

In Fig. 3 ist schematisch der Ablauf der Steuerung des Öffnungshubes eines Ventilgliedes und der Einspritzzeit zur optimalen Gemischbildung in jedem Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine durch eine Injektorsteuerung 25 darge­ stellt. Für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, welcher durch die Drehzahl n und die Last L bestimmt ist, sind in einem Einspritzkennfeld 20 die jeweils optimalen Einstellungsparameter 21 des Öffnungshubes des Ventilglie­ des und der Einspritzzeit abgelegt. Bei Anfahren eines be­ liebigen Betriebspunktes der Brennkraftmaschine werden die entsprechenden Einstellungsparameter 21 dem Kennfeld 20 entnommen und von der Injektorsteuerung 25 der Einstellung des Öffnungshubes und der Einspritzzeit bei der Kraftstoff- Einspritzung für einen verbrauchs- und emissionsoptimierten Betrieb der Brennkraftmaschine zugrunde gelegt. Die im Ein­ spritzkennfeld 20 abgelegten Einstellungsparameter 21 meh­ rerer Injektoren verschiedener Zylinder einer mehrzylindri­ gen Brennkraftmaschine können unterschiedlich sein und füh­ ren dabei zu zylinderspezifischen Gemischbildungen in den einzelnen Brennräumen. Nach der Einstellung des Injektors durch die Injektorsteuerung 25 werden Motorparameter 31 ge­ messen, z. B. die Laufruhe der Brennkraftmaschine, und mit in einem Motorkennfeld 30 abgelegten, betriebspunktspezifi­ schen Sollwerten 32 in einer Reglereinheit 26 verglichen. Weichen die gemessenen Motorparameter 31 von dem im Motor­ kennfeld 30 abgelegten Sollwerten 32 ab, d. h. die Laufruhe der Brennkraftmaschine ist nicht zufriedenstellend, veran­ laßt die Reglereinheit 26 eine Variation der Einstellungs­ parameter 21, welche in den folgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine von der Injektorsteuerung 25 der Ein­ stellung der Injektoren zugrunde gelegt werden. Ist nach fortlaufendem Vergleich gemessener Motorparameter 31 mit den Sollwerten 32 des Motorkennfeldes 30 schließlich bei optimalem Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine eine Übereinstimmung erreicht, so endet die Parametervariation der Reglereinheit 26. Die ermittelten Idealparameter 22 für eine optimale Gemischbildung in dem spezifischen Betriebs­ punkt der Brennkraftmaschine werden im Einspritzkennfeld 20 abgelegt und ersetzen die bisherigen Einstellungsparameter 21 für diesen Betriebspunkt, wodurch beim nächsten Anfahren dieses Betriebspunktes der Brennkraftmaschine die korri­ gierten Idealparameter 22 der Injektorsteuerung 25 bereit­ stellbar sind.

Derartige Korrekturen der Einstellungsparameter 21 können zum Beispiel bei erster Inbetriebnahme der Brennkraftma­ schine nötig sein aufgrund von Streuungen in der Serien­ fertigung von Injektoren, Zylinderköpfen usw., welche im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine die Ausbildung einer idealen Gemischwolke durch Beeinflussung des Kraft­ stoff-Kegelstrahls verhindern, oder auch aufgrund von Ver­ änderungen des Kegelstrahlverhaltens infolge von Verschleiß oder Ablagerungen mit zunehmender Betriebsdauer der Brenn­ kraftmaschine. Bei der Korrektur der Einstellungsparameter 21 führt dabei eine Erhöhung des Öffnungshubes zu einer Vergrößerung des Einspritzwinkels des Kegelstrahls. Im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine sind dadurch Abweichungen der Luftverhältnisse (Lambda-Werte) und der Brennraumlage der Gemischwolke von den Einstellungswerten für eine optimale Gemischbildung ausgleichbar. Die Überprü­ fung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine, d. h. das Vergleichen der gemessenen Motorparameter 31 (Laufruhe) mit den Sollwerten 32 des Motorkennfeldes 30, kann während der Laufzeit der Brennkraftmaschine kontinuierlich oder in vorgegebenen Intervallen erfolgen.

In Fig. 4 sind in einem Diagramm die Einstellungsparameter des Öffnungshubes und der Einspritzzeit in Abhängigkeit von der Drehzahl einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraft­ maschine dargestellt. Im Schichtladungsbetrieb der Brenn­ kraftmaschine beeinflußt die Drehzahl die Lage der Gemisch­ wolke im Brennraum, so daß zum Erreichen einer optimalen Gemischbildung im gesamten Kennfeld die Einstellungspara­ meter Öffnungshub bzw. Einspritzzeit angepaßt werden müs­ sen. Die Gemischaufbereitung erfolgt dabei mit steigender Drehzahl durch exponentielle Erhöhung des Öffnungshubes bei linearer Reduzierung der Einspritzzeit. Bei einem Be­ triebspunkt mit einer Drehzahl von 2000 U/min beträgt die optimale Einspritzzeit etwa 0,75 ms bei einem Öffnungshub von 0,02 mm, während bei einer Drehzahl von 6000 U/min die optimalen Einstellungsparameter 0,375 ms Einspritzzeit und 0,03 mm Öffnungshub sind.

In Fig. 5 ist in einem Diagramm der Verlauf der Ein­ stellungsparameter für die optimale Gemischbildung im Kenn­ feld einer Brennkraftmaschine dargestellt, in deren Brenn­ raum eine reduzierte Sauerstoffkonzentration vorliegt. Unter diesen Betriebsverhältnissen arbeitet eine Brenn­ kraftmaschine dann, wenn eine Abgasrückführung vorgesehen ist oder eine Teildrosselung zum Beispiel zum Freibrennen des Brennraumes oder zur Verbesserung der Bedingungen zur Abgasnachbehandlung. Der reduzierte Frischluft-Massenstrom sowie dessen Temperatur und auch die veränderten Druckver­ hältnisse im Brennraum erfordern eine Anpassung der Ge­ mischbildung durch Veränderung der Einspritzparameter im Kennfeld. Dabei wird mit zunehmender Abgasrückführungsquote bzw. Teildrosselung die Einspritzzeit linear erhöht und der Öffnungshub invers exponentiell reduziert. Im Betriebspunkt ohne Abgasrückführung bzw. im ungedrosselten Betrieb betra­ gen die optimalen Einstellungsparameter 0,25 ms Einspritz­ zeit und 0,06 mm Öffnungshub, während im Betriebspunkt mit einer Abgasrückführungsquote bzw. einer Teildrosselung von 50% die Einspritzzeit 0,5 ms und der Öffnungshub 0,025 mm beträgt.

Fig. 6 zeigt in einem Diagramm die optimalen Einstellungs­ parameter im Kennfeld einer aufgeladenen Brennkraftmaschi­ ne, bei der es wichtig ist, den eingespritzten Kraftstoff in einem kleinen Brennraumbereich zu verteilen. Dement­ sprechend wird mit steigender Aufladung der Öffnungshub ex­ ponentiell vergrößert und die Einspritzzeit linear redu­ ziert, wodurch im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine eine Gemischwolke mit optimalen Lambda-Werten gebildet ist. Der Öffnungshub wird dabei von 0,02 mm bei 0% Aufladung bis auf etwa 0,025 mm bei 50%iger Aufladung der Maschine gesteigert, während die Einspritzzeit im selben Kennfeldbe­ reich von 0,75 ms auf etwa 0,6 ms reduziert ist.

Fig. 7 zeigt in einem Diagramm die Erhöhung des Einspritz­ winkels eines Kraftstoff-Kegelstrahls von etwa 75° bis etwa 90° mit zunehmendem Öffnungshub eines Ventilgliedes beim freigebenden Abheben von einem Ventilsitz in der Düsen­ öffnung eines Injektors von etwa 0,03 mm auf 0,06 mm. Da­ durch kann sichergestellt werden, daß in jedem Betriebs­ punkt der Brennkraftmaschine im Schichtladungsbetrieb den Elektroden einer in den Brennraum einragenden Zündkerze ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch zur Zündung bereitge­ stellt ist. Nach Einspritzende bewegt sich die Gemischwolke im Brennraum in Richtung des Kolbenbodens, so daß die Ge­ fahr der Gemischabmagerung im Bereich der Elektroden auf nicht zündfähige Lambda-Werte besteht. Um bei geringer, Verkokung verursachender Kraftstoff-Benetzung der Elektro­ den zu einem bestimmbaren Zeitpunkt brennbares Gemisch in den Bereich der Elektroden zu bringen und damit den Zünd­ zeitpunkt zu wählen, ist, wie in Fig. 8 graphisch darge­ stellt, vorgesehen, während der Einspritzzeit den Ein­ spritzwinkel durch Erhöhung des Öffnungshubes kurzzeitig zu vergrößern. Durch die dynamische Veränderung des Einspritz­ winkels während der Einspritzzeit liegt kurzzeitig ein fet­ tes Kraftstoff/Luft-Gemisch an den Elektroden vor, welches zur Zündung vorgesehen ist. Außerhalb des Zündintervalls mit großem Einspritzwinkel von etwa 90° ergibt sich während der Einspritzzeit durch den kleinen Einspritzwinkel von etwa 80° Elektroden mit Kraftstoff und somit eine Reduzierung von Ablagerungen.

Fig. 9 veranschaulicht in einem Diagramm die invers ex­ ponentiell erhöhte Durchflußrate einer freigegebenen Düsen­ öffnung in Abhängigkeit von dem zunehmenden Öffnungshub des Ventilgliedes. Bei einem konstanten Öffnungshub, wodurch ein gleichmäßiger Kraftstoff-Massenstrom in den Brennraum eingespritzt würde, läge im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine in der gebildeten Gemischwolke in den düsennahen Bereichen ein relativ fettes Kraftstoff/Luft-Ge­ misch und in den düsenfernen Bereichen ein relativ mageres Gemisch vor. Um ein Abmagern der Gemischwolke in den dü­ senfernen Bereichen und somit eine nicht vollständige Oxi­ dation des Kraftstoffes infolge von zu hohem Luftüberschuß zu verhindern, ist vorgesehen, während der Einspritzung den Kraftstoff-Massenstrom durch die Düsenöffnung zu reduzie­ ren. Dies erfolgt, wie in Fig. 10 dargestellt, durch dyna­ mische Verkleinerung des Öffnungshubes von etwa 0,06 mm zu Beginn der Kraftstoff-Einspritzung auf 0,02 mm am Ende der Kraftstoff-Einspritzung kurz vor dem Schließen der Düsen­ öffnung. Die Verkleinerung des Öffnungshubes erfolgt dabei während der Kraftstoff-Einspritzung invers exponentiell, wodurch der Großteil einer zugemessenen Kraftstoffmenge mit einer hohen Durchflußrate durch die Düsenöffnung zu Beginn der Einspritzzeit in den Brennraum eingespritzt wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraft­ stoff/Luft-Gemisches in den Zylindern (2) einer direkt­ einspritzenden Brennkraftmaschine (1), wobei in jeden von einem Kolben (3) begrenzten Brennraum (4) mittels eines Injektors (5) bei Freigabe einer Düsenöffnung (6) durch Abheben eines Ventilgliedes (7) von einem die Dü­ senöffnung (6) umfassenden Ventilsitz (8) Kraftstoff eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungshub des Ventil­ gliedes (7) und die Einspritzzeit variabel einstellbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungshub des Ventil­ gliedes (7) während des Einspritzvorganges verstellbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungshub des Ventil­ gliedes (7) jedes Zylinders (2) individuell einstellbar ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (5) den Kraft­ stoff in einem sich aufweitenden Kegelstrahl (9) in den Brennraum einspritzt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstrahl (9) im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine (1) eine kegelförmige, Kraftstoff/Luft-Gemisch führende Gemisch­ wolke (10) mit von der Einstellung des Öffnungshubes des Ventilgliedes (7) abhängigen Luftverhältnissen aus­ bildet, in die die Elektroden einer Zündkerze (11) ein­ ragen.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzwinkel (α) des Kegelstrahls (9) mit zunehmendem Öffnungshub des Ven­ tilgliedes (7) größer ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Öff­ nungshubes des Ventilgliedes (7) und die Einspritzzeit in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) unter Zugrundelegung von für den jeweils vorliegenden Be­ triebspunkt in einem Einspritzkennfeld abgelegten Ein­ stellungsparametern erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abweichung der gemes­ senen Motorparameter (31) von in einem Motorkennfeld (30) abgelegten Sollwerten (32) im jeweiligen Betriebs­ punkt der Brennkraftmaschine (1) bei jeder Einspritzung eine Variation des Öffnungshubes des Ventilgliedes (7) erfolgt, bis ein optimales Betriebsverhalten mit Über­ einstimmung der gemessenen Motorparameter (31) und der Sollwerte (32) des Motorkennfeldes (30) erreicht ist, wobei die ermittelten Idealparameter (22) die bis­ herigen Einstellungsparameter (21) ersetzend im Ein­ spritzkennfeld (20) abgelegt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungshub des Ventil­ gliedes (7) maximal 0,1 mm beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine (1) der Öffnungshub des Ventil­ gliedes (7) zwischen etwa 0,02 mm und etwa 0,06 mm ein­ stellbar ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzwinkel (α) des Kegelstrahls (9) abhängig vom Öffnungshub des Ventil­ gliedes (7) zwischen etwa 70° und 100° beträgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Arbeitsspiel des Kolbens (3) mehrere Einspritzungen erfolgen.