DE19819197A1

DE19819197A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Gemischzusammensetzung an der Zündstelle bei Ottomotoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung

Info

Publication number: DE19819197A1
Application number: DE19819197A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Ing Latsch
Original assignee: Reinhard Dr Ing Latsch
Current assignee: LATSCH, REINHARD, DR.-ING., 76530 BADEN-BADEN, DE
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1999-01-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der optimalen Gemischzusammensetzung an der Zündstelle zum Zündzeitpunkt bei Ottomotoren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Fun kenzündung und weiterhin verschiedene zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtun gen.

Im Zusammenhang mit der Kraftstoff-Direkteinspritzung und Funkenzündung durch eine Zünd kerze oder zündkerzenähnliche Einrichtung ist eine genaue Abstimmung zwischen dem Einspritz beginn und den durch die Kraftstoff-Einspritzdüse erzeugten zeitlichen Massenstrom und dem Zündzeitpunkt erforderlich. Um diese zu erreichen wurde in DE 195 27 550 vorgeschlagen, das Steuersignal für die Einleitung der elektronisch gesteuerten Einspritzung zu verwenden und eine vom Betriebspunkt des Motors abhängige Verzögerungszeit bis zum Einleiten der Zündung zu steuern. Ein solches Verfahren berücksichtigt aber nicht, daß sich diese Verzögerungszeit in Abhängigkeit von der Alterung der Einspritzdüse (z. B. Verschmutzung) und des Motors und von Umwelteinflüssen verändern kann, so daß die Gefahr besteht, daß zum Zündzeitpunkt das Ge misch an der Zündstelle entweder zu wenig oder zu viel Kraftstoff enthält, das heißt zu "mager" oder zu "fett" ist.

In WO 89/11029 wurde in allgemeiner Form vorgeschlagen, die "Qualität der Verbrennung" mit einem Druck-, Ionenstrom- oder Lichtsensor zu überwachen und entsprechend den Sensorsig nalen den Einspritzbeginn zu regeln. Um die bei diesen Verfahren notwendige zusätzliche Boh rung für die Anordnung eines Sensors im Zylinderkopf des Motors zu vermeiden, kann nach DE 195 03 969 z. B. ein Ionenstromsensor in das Einspritzventil integriert werden. Ein solcher Sensor kann danach hülsenförmig und konzentrisch um die Einspritzdüse herum angeordnet sein. Abgesehen vom Mehraufwand kann mit diesen Verfahren keine ausreichend genaue Aussage über die Gemischzusammensetzung an der Zündstelle zum Zündzeitpunkt getroffen werden. Diese bestimmt aber in hohem Maße die wesentlichen Eigenschaften des Motors wie den Kraftstoffver brauch, die Schadstoffemissionen und die Laufruhe.

In einer Veröffentlichung von Reinmann u. a. (SAE-Paper 970 856, Int. Congr. & Expos., Detroit, 24.-27.02.1997) wurde ein Hinweis darauf gegeben, daß zur "Regelung der Einspritzung" ein Ionenstromsignal geeignet ist, das an der Zündkerze gewonnen wird. Mit dem vorgestellten Ver fahren kann aber nur ein Meßsignal für die Gemischzusammensetzung an der Zündkerze in einem sehr engen Luftzahlbereich zwischen λ = 0,9 und 1,0 ermittelt werden. Ein besonderer Nachteil ist zudem der, daß nur eine sehr schwache Abhängigkeit des Meßsignals von der Luftzahl besteht und daß deshalb dieses Verfahren bei üblichen Systemen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung wegen der großen stochastischen Streuungen der Gemischzusammensetzung bei üblichen Anordnungen von Einspritzdüse und Funkenzündeinrichtung, mit großen Schwankungen des Meßsignals zu rech nen ist - wie z. B. im SAE-Paper 962 013, Int. Fall Fuels & Lubr. Meet. & Expos., San Antonio, 14.-17. 10. 1996 gezeigt wurde - und daher keine stabile Regelung, insbesondere bei instationä rem Motorbetrieb, möglich ist. Es wird auch kein Hinweis auf ein Verfahren oder eine vorteilhafte Vorrichtungen zur Durchführung gegeben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Verfahren aufzuzeigen und zur Durch führung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen zu schaffen, mit dem bzw. durch die eine stabile Regelung der Gemischzusammensetzung in einem breiten Luftzahlbereich zwischen der "fetten" und der "mageren" Betriebsgrenze des Motors mit großer Stabilität und verbessertem instationä ren Verhalten möglich ist. Weitere Aufgaben sind die Benutzung des Meßsignals zur optimalen Abstimmung von Zündzeitpunkt, Einspritzbeginn und Einspritzrate bei der Motorentwicklung so wie zur Diagnose des Einspritzsystems und der Zündung.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist ein Verfahren zur Regelung der Gemischzusammensetzung an der Zündstelle zum Zeitpunkt der Funkenzündung bei Ottomotoren mit Kraftstoff-Direktein spritzung und Verwendung der Zündkerze als Sensor. Das erfindungsmäßige Verfahren ist da durch gekennzeichnet, daß der durch Direkteinspritzung zugeführte Kraftstoff zumindest teilweise auf eine feste Oberfläche trifft und dort zur Verbesserung der Gemischaufbereitung und Homoge nisierung des Kraftstoff-Luft-Gemischs wandangelagert wird und während des weiteren Verdich tungstakts des Motors von dort verdampft und/oder von der Strömung mitgerissen wird und mit einem Teil des übrigen Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum vermischt wird und daß eine mit der nachfolgenden Funkenzündung des Gemischs im Zusammenhang stehende elektrische Meß größe zur Regelung der Gemischzusammensetzung an der Zündstelle verwendet wird.

Eine besonders homogene und gasförmige Mischung von Kraftstoff und Luft an der Zündstelle wird vor allem dadurch erreicht, daß der aus der Kraftstoffdüse austretende Kraftstoff teilweise auf einem Teil der Kolbenoberfläche wandangelagert wird und von dort als Folge einer erhöhten Oberflächentemperatur des Kolbens und einer gezielten Ladungsbewegung im Brennraum in den Bereich der Zündstelle gelenkt wird, um dort als homogenes Gemisch von Kraftstoff und Luft gezündet zu werden.

Besondere Vorteile ergeben sich dann, wenn der Kraftstoff auf seinem Wege von der Einspritz düse zur Zündstelle in oder in der Umgebung einer Mulde im Kolben des Motors wandangelagert wird. Diese Verfahren ist vor allem dann sinnvoll, wenn im gesamten Brennraum vor der Kraft stoffeinspritzung bereits ein weitgehend homogenes und mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch vor liegt und an der Zündstelle eine Anreicherung dieses Gemischs mit Kraftstoff durchgeführt wer den soll.

Zur Regelung der Gemischzusammensetzung an der Zündstelle ist eine Meßgröße erforderlich, die im gesamten Betriebsbereich, d. h. zwischen einer "fetten" und "mageren" Laufgrenze eines Motors eine ausgeprägte und stabile Abhängigkeit vom Kraftstoff-Luft-Verhältnis liefert. Diese Bedingung wird insbesondere von einem Signal erfüllt, das aus dem an der Zündstelle im Zusam menhang mit der Zündung gemessenen Ionenstrom durch Integration des Verlaufs über die Zeit oder den Kurbelwinkel gewonnen wird. Dieses Signal zeigt im Bereich schwach unterstöchio metrischer Gemischzusammensetzung (Luftzahl λ ≈ 0,9) ein Maximum. Diese Eigenschaft kann dazu benutzt werden, um z. B. im Zusammenhang mit einem kurzzeitigen Betrieb des Motors mit homogenem Gemisch bei einem gesteuerten Luftzahlwert von λ = 0,9 eine Justage der Meßein richtung vorzunehmen.

Mit dem Zusammenhang zwischen dem Meßsignal und der Luftzahl λ ist es möglich, mit bekann ten Suchschrittverfahren bei systematischer Veränderung von Einspritzbeginn und Einspritzrate bei konstantem Zündwinkel den Einspritzbeginn so zu regeln, daß sich an der Zündstelle zum Zündzeitpunkt eine gewünschte Gemischzusammensetzung (Luftzahl) einstellt. Dabei ist zu beach ten, daß sich bei einer Veränderung der Einspritzrate durch Veränderung des Kraftstoff-System drucks die Stahlgeschwindigkeit ändert und damit zusätzlich dies Gemischzusammensetzung an der Zündstelle beeinflußt wird.

Wenig sinnvoll ist es, durch Veränderung des Zündzeitpunkts die Gemischzusammensetzung an der Zündstelle zum Zündzeitpunkt zu beeinflussen, da eine Veränderung des Zündwinkels einen besonders großen Einfluß auf den Kraftstoffverbrauch, die Schadstoffemissionen und die Lauf ruhe eines Motors ausübt. Andererseits wird ein einmal festgelegter "optimaler" Wert nur wenig von der Gemischzusammensetzung beeinflußt, so lange diese nicht sehr von der stöchiometrischen Zusammensetzung abweicht.

Für die Stabilität der Regelung ist es besonders wichtig, daß bei konstanten Betriebsbedingungen des Motors nur geringe Schwankungen des Ionenstrommeßwertes auftreten. Diese Bedingung wird insbesondere durch die Zündung innerhalb einer Zündkammer und dabei vor allem mit einer Zündkammervariante erfüllt, bei der in der Vorkammer eine Wirbelströmung erzeugt wird und mehrere Zündfunkenstrecken radial zur im wesentlichen zylindrischen Innenwand der Kammer gerichtet sind. Dabei ergibt sich eine besonders homogene Gemischzusammensetzung an der Zündstelle, wobei insbesondere verhindert wird, daß Kraftstofftröpfchen in den Bereich der Funkenstrecke gelangen. Zudem wird die Strömung im Bereich der Zündstelle sehr gleichmäßig, so daß sich im Vergleich zur Zündung mit einer üblichen Zündkerze eine deutliche Verminderung der Schwankungen des Ionenstroms bei aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen des Motors ergibt.

Ein besonderes Problem des Ottomotors mit Direkteinspritzung ist dessen sehr hohe NOx-Emis sion. Das ist vor allem im Bereich mittlerer und größerer Drehmomente (Motorlasten) der Fall, wo zusätzlich noch Partikel-Emissionen auftreten. Deshalb ist es sinnvoll, den Motor in diesem Bereich homogen bei einer möglichst großen Luftzahl zu betreiben. Da die Abmagerbar keit üblicher Motoren gering ist, sind die erreichbaren Verbesserungen gegenüber einem Motor mit üblicher Direkteinspritzung aber begrenzt. Um eine verbesserte Abmagerbarkeit zu erreichen, ist es naheliegend, das Gemisch zum Zeitpunkt der Zündung mit Kraftstoff anzureichern, wobei sich dann besonders niedrige NOx-Werte ergeben, wenn nur so viel Kraftstoff in den Bereich der Zündstelle gelenkt wird, wie zu einer sicheren Entflammung notwendig ist.

Um dieses zu erreichen, wird vorgeschlagen, bei einem mageren Grundgemisch im Brennraum eine zusätzliche Kleinstmenge Kraftstoff durch gezielte Änderung von Einspritzbeginn und Ein spritzrate zu bestimmen, die zu einer notwendigen und gewünschten Anreicherung des Gemischs an der Zündstelle zum Zündzeitpunkt führt. Als Vorrichtung ist hierzu besonders die genannte Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung geeignet, die unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt in eine Kolbenmulde eintaucht, in und in dessen Umgebung sich wandangelagerter Kraftstoff befindet, der zuvor durch die Einspritzung einer Kleinstmenge Kraftstoff in Richtung auf die Kolbenmulde gebildet wird.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele und wichtige Merkmale der Erfindung anhand der Zeich nung beschrieben. Diese zeigen in

Fig. 1 eine beispielhafte Anordnung bei einem Motor mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und teil weiser Wandanlagerung des Kraftstoffs zur Verbesserung der Gemischbildung an der Zündstelle,

Fig. 2 eine Anordnung, bei der ein Teil des zur Zündstelle gelangenden Kraftstoff-Luft-Gemischs mit dem Kraftstoff gebildet wird, der vorher zumindest teilweise in oder in der Umgebung einer Mulde im Kolben wandangelagert wurde zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung,

Fig. 3 eine Anordnung nach Fig. 2 zum Zeitpunkt der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Kolbenmulde,

Fig. 4 den charakteristischen Verlauf des über die Zeit integrierten Ionenstroms, der im Zusam menhang mit der Zündung gemessen wird als Funktion der Luftzahl,

Fig. 5. schematisch den Zusammenhang zwischen drei Zeitpunkten für den Einspritzbeginn (Kurbel wellenstellungen) und der Gemischzusammensetzung zum Zeitpunkt der Zündung an der Zündstelle sowie den Einfluß einer größeren und kleineren Einspritzrate (Einspritzmenge/Zeit),

Fig. 6a einen Schnitt durch eine zylindrische Vorkammer-Funkenzündeinrichtung, die als Wirbel kammer-Funkenzündeinrichtung mit mehreren Funkenstrecken im Wandbereich der Wirbelkam mer mit tangential verlaufenden Überströmkanälen ausgebildet ist,

Fig. 6b einen Schnitt durch eine zylindrische Vorkammer-Funkenzündeinrichtung nach Fig. 6a in Höhe der tangential verlaufenden Überströmkanäle (25),

Fig. 7 schematisch den Verlauf der auf den jeweiligen Mittelwert bezogenen Schwankungen des integrierten Ionenstroms für eine übliche Zündung und eine Zündung mit einer Wirbelkammer-Fun kenzündvorrichtung als Funktion der Luftzahl λ,

Fig. 8. schematisch den Verlauf der Gemischzusammensetzung an der Zündstelle bei Variation des Einspritzbeginns für eine minimale Kraftstoffzusatzmenge bei einer gewünschten Gemischan reicherung an der Zündstelle zur Zeit der Zündung,

Fig. 9. schematisch die NOx-Emission in einem oberen Teillast-Betriebspunkt für einen üblichen Motor mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, einem Ottomotor und einem Ottomotor mit magerem Grundgemisch und minimaler Kraftstoffzusatzmenge zur Gemischanreicherung an der Zündstelle,

Fig. 10 einen zur Fig. 9 analogen Zusammenhang für den Kraftstoffverbrauch (KV) und in

Fig. 11 einen zur Fig. 9 analogen Zusammenhang für die Laufunruhe (LU) des Motors

Fig. 12 schematisch das Verfahren, bei dem die Anreicherung eines mageren Grundgemischs an der Zündstelle nach Fig. 8 durch Einspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge auf einen Teil des Kolbenbodens durchgeführt wird

Fig. 13 schematisch das Verfahren, bei dem die Anreicherung eines mageren Grundgemischs an der Zündstelle nach Fig. 8 durch Einspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge in Richtung auf eine Funkenzündeinrichtung durchgeführt wird, wobei ein Teil des zum Zündzeitpunkt zur Zündstelle gelangenden Kraftstoffs an den Elektroden und/oder der Keramikoberfläche der Zündkerze an gelagert wird

Fig. 14 die Einspritzung einer Grundmenge Q₀ während des Ansaughubs des Motors zur Bildung eines Grundgemischs und die Gemischanreicherung durch Einspritzung einer kleinen Kraftstoff menge Q während des Verdichtungshubs des Motors unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt

Fig. 15 vergrößert den charakteristischen Verlauf des Ionenstroms I als Funktion der Zeit z mit den verschiedenen physikalischen Merkmalen, die zur Regelung der Gemischzusammensetzung zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle verwendet werden können.

Fig. 16 ein Schaltbild zur Erläuterung des Regelverfahrens mit systematischer bzw. periodischer Änderung der Einspritzmenge Q bei konstant gehaltenem Einspritzzeitpunkt EZ und Zündzeitpunkt ZZP zum Auffinden der gewünschten Gemischzusammensetzung an der Zündstelle zum Zünd zeitpunkt

Fig. 17 eine Darstellung zur Erläuterung eines Regelverfahrens mit systematischer bzw. periodischer Änderung der Einspritzmenge Q nach Fig. 16.

In Fig. 1 ist eine beispielhafte Anordnung für die Kraftstoff-Direkteinspritzung mit teilweiser Wand anlagerung des Kraftstoffs zur Verbesserung der Gemischbildung an der Zündstelle dargestellt, bei der eine übliche Funkenzündeinrichtung (1) im Zylinderkopf (2) des Motors angeordnet ist. Dabei wird der von dem Einspritzventil (3) in den Brennraum (4) des Motors eingespritzte Kraftstoff so in Richtung auf den Kolben (5) eingespritzt, daß sich dieser teilweise auf einem Teil der Kol benoberfläche (6) niederschlägt. Durch eine sehr steile Ausführung des Ansaugkanals (7) wird erreicht, daß sich innerhalb des Brennraums (4) eine Tumbleströmung ausbildet, deren Achse quer zur Hauptachse des Kolbens gerichtet ist. Diese Strömung erzeugt im kolbenbodennahen Bereich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit mit großem Geschwindigkeitsgradienten zur Kol benoberfläche. In Verbindung mit der Erwärmung des Kolbenbodens (5) kommt es zu einer sehr schnellen Kraftstoffverdampfung und Zumischung zu dem darüber befindlichen Gemisch, wobei dieses unmittelbar in Richtung auf die Elektroden (8) der Funkenzündeinrichtung (1) gelenkt wird, wie schematisch durch einen Pfeil angedeutet ist. Auf dem Wege zur Zündstelle wird dieses Gemisch in der Nachlaufströmung der Wandströmung besonders gut homogenisiert.

Die Kraftstoffausbreitung im Brennraum ist schematisch in Fig. 1 durch Linien konstanter Gemisch konzentration gekennzeichnet, wobei die durchgezogene Linie (9) eine Gemischzusammensetzung zum Zeitpunkt der Zündung mit einer Luftzahl von λ = 1,0 beschreibt und die strichpunktierten und gestrichelten Linien (10 und 11) Gemischzusammensetzungen zum Zeitpunkt der Zündung mit Luftzahlen von λ = 1,5 bzw. λ = 0,5 kennzeichnen.

In Fig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, bei der ein Teil des zur Zündstelle gelangenden Kraftstoff- Luft-Gemischs mit dem Kraftstoff gebildet wird, der vorher teilweise in einer Kolbenmulde (12) oder in der Umgebung einer Kolbenmulde (13) wandangelagert war. Im vorliegenden Fall wird eine Zündeinrichtung (1) mit sehr langen Elektroden (8) verwendet, die im wesentlichen zentral zu einem durch den Zylinderkopf (2), den Kolben (6) und die Zylinderwand (14) gebildeten Brenn raum (4) angeordnet ist. Der Kolben (6) ist in einer Stellung während des Kompressionsvorgangs gezeigt, in der der Kraftstoff von der Einspritzdüse (3) im wesentlichen in Richtung auf die Kolben mulde (12) und den benachbarten Teil (13) des Kolbenbodens (5) gespritzt wird. Wegen der gro ßen Kraftstoffdichte im zentralen Bereich des Einspritzstrahls - wie aus der Kraftstoffdichtevertei lung (15) zu sehen ist - gelangt ein besonders großer Anteil des Kraftstoffs in die Kolbenmulde.

Während des weiteren Kompressionsvorgangs erwärmt sich der in und in der Umgebung der Kolbenmulde wandangelagerte Kraftstoff und verdampft. Zudem kommt es zu einer ausgepräg ten Ladungsbewegung aus dem Hauptbrennraum heraus in Richtung auf den Muldenboden, wo durch die der Mulde vorgelagerten Kraftstoffanteile (13) zum großen Teil ebenfalls in die Kol benmulde (12) hinein transportiert werden.

In Fig. 3 ist die Anordnung nach Fig. 2 zum Zeitpunkt der Zündung dargestellt. Als Folge der schnellen Kolbenbewegung in Richtung auf den oberen Totpunkt des Kolbens (OT) unmittelbar vor der Zündung, kommt es in der Kolbenmulde zu einer intensiven Ladungsbewegung, wobei ein Stoffaustausch mit dem Hauptbrennraum weitgehend unterdrückt wird, so daß im Bereich der Zündelektroden zum Zeitpunkt der Zündung ein vergleichsweise homogenes und gegenüber der Gemischzusammensetzung im Hauptbrennraum mit Kraftstoff angereichertes Gemisch gebil det wird. Mit einer solchen Anordnung kann bei Verwendung einer geringen Kraftstoffmenge eine besonders weitgehende Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Bereich der Zünd stelle mit Kraftstoff erreicht werden. Weitere Einzelheiten zu den Vorrichtungen nach Fig. 2 und Fig. 3 können in DE 197 14 796 nachgelesen werden.

Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf des jeweils im Zusammenhang mit der Zündung gemesse nen und über die Zeit oder den Kurbelwinkel integrierten Ionenstroms I als Funktion der Luft zahl λ (16). Aus den zusätzlich in das Diagramm im verkleinerten Maßstab für charakteristische Punkte eingezeichneten Zusammenhängen und aus dem Diagramm selbst ist deutlich zu erken nen, daß der Ionenstrom sowohl nach Höhe als auch nach Dauer sowie als Integralwert an der "fetten" Betriebsgrenze (λ = 0,5) und an der "mageren" Betriebsgrenze (λ = 1,5) deutlich kleinere Werte annimmt als im Bereich der stöchiometrischen Luftzahl von λ = 1,0. Das Maxi mum des Ionenstroms wird im Bereich um λ ≈ 0,9 erreicht.

In Fig. 5 ist schematisch der Zusammenhang zwischen drei Kurbelwellenstellungen bzw. Einspritz zeitpunkten EZ1, EZ2, EZ3 und den Gemischzusammensetzungen (17 bis 19) zum Zeitpunkt der Zündung (ZZP) an der Zündstelle dargestellt. Geht man davon aus, daß ein Einspritzbeginn zum Zeitpunkt (EZ1) zu einer Luftzahl an der Zündstelle von λ = 1,0 führt (17), dann ergibt sich bei einer Vorverlagerung des Einspritzbeginns (EZ2) zum Zündzeitpunkt eine Luftzahl von λ = 0,5 (18). Andererseits ergibt sich bei einem späteren Einspritzbeginn (EZ3) zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle (19) ein besonderes mageres Gemisch (λ = 1,5).

Wird für einen Einspritzbeginn bei EZ1 mit einer Luftzahl zur Zeit der Zündung an der Zündstelle von λ = 1,0 die Einspritzrate von Q1 auf Q2 erhöht, dann ergibt sich eine Anreicherung (20) und bei Senkung der Einspritzrate eine Abmagerung des Gemischs an der Zündstelle auf Q3 (21).

In Fig. 6a ist schematisch der Schnitt durch eine Vorkammer-Funkenzündeinrichtung dargestellt, die als Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung ausgebildet ist. Hierbei wird beim Eindringen der zylindrischen Zündkammer (22) in die Kolbenmulde (12) das in der Kolbenmulde und im Be reich der Kolbenmulde befindliche und mit Kraftstoff angereicherte Gemisch durch die im Boden der Wirbelkammer (23) befindliche Öffnung (24) in die Wirbelkammer hineingedrückt. Zusätzlich wird durch tangential angeordnete Überströmkanäle (25) und Verwendung einer Mehrfach-Mittel elektrode (26) mit mehreren Zündfunkenstrecken (27a, 27b) zur im wesentlichen zylindrischen Innenwand der Wirbelkammer (28) eine Wirbelströmung erzeugt. Damit ist es möglich, größere Schwankungen der Luftzahl an der Zündstelle, wie sie z. B. im Zusammenhang mit instationären Fahrzuständen auftreten können, sicher zu beherrschen.

Fig. 6b zeigt einen Schnitt der Anordnung nach 6a in Höhe der tangentialen Überströmkanäle (25).

Weitere Einzelheiten zu den Vorrichtungen nach Fig. 2 und Fig. 3 können in DE 197 14 796 nachgelesen werden.

In Fig. 7 ist schematisch der Verlauf der auf den jeweiligen Mittelwert bezogenen Schwankungen des integrierten Ionenstromverlaufs nach Fig. 4 für eine übliche Zündung nach Fig. 1 (29) und Zündung mit einer Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung nach 6a und 6b (30) als Funktion der Luftzahl bei konstanten Betriebsbedingungen des Motors dargestellt.

Wie sich zeigt, ergeben sich bei Verwendung einer Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung beson ders niedrige Schwankungswerte. Die Ursache dafür ist, daß bei dieser Funkenzündeinrichtung an der Zündstelle ein besonders homogenes Gemisch gebildet wird und gleichzeitig sicher verhin dert wird, daß sich noch Kraftstofftröpfchen im an der Zündstelle zu zündenden Gemisch befin den. Zudem wird als Folge der Wirbelströmung die Ladungsbewegung im Bereich der Zündstelle sehr gleichmäßig und reproduzierbar, was eine gleichmäßige Entwicklung der Verbrennung in der Anfangsphase zur Folge hat.

Es ist naheliegend, daß sich wegen der geringen Schwankungen der Meßwerte bei Verwendung einer Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung eine deutlich größere Stabilität der Regelung und insbesondere ein besseres Verhalten bei instationären Fahrzuständen des Motors ergibt als bei Verwendung einer üblichen Funkenzündeinrichtung Zudem ergibt sich in diesem Fall eine deut liche Ausweitung der mageren Zündgrenze zu größeren Luftzahlen hin, so daß auch bei vergleichs weise magerem Gemisch zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle noch eine hohe Meßgenauigkeit bei geringen Schwankungen erreicht wird.

Zur Verbesserung der Regelung ist es vorteilhaft, eine an sich bekannte adaptive Kennfeldspei cherung der Sollwerte für die zu einem Ionenstromsollwert in den einzelnen Betriebspunkten des Motors gehörenden Werte für den Einspritzbeginn und die Einspritzrate durchzuführen. Dabei wird das Kennfeld fortlaufend anhand aktueller Meßwerte korrigiert bzw. angepaßt.

Fig. 8 zeigt schematisch die Gemischzusammensetzung an der Zündstelle (31), die durch Varia tion des Einspritzbeginns bei gleichzeitig systematischer Veränderung der Einspritzrate mit einem Suchschritt-Verfahren für den Fall ermittelt worden ist, daß an der Zündstelle eine Gemischzu sammensetzung mit einer Luftzahl λ = 1,0 (32) und einer Luftzahl im übrigen Brennraum des Motors von λ = 1,6 (33) vorgegeben ist. Bei dem Verfahren wird abwechselnd eine der beiden genannten Größen konstant gehalten und in Suchschritten mit der anderen nach einer verbesser ten Annäherung an den Zielwert (hier λ = 1,0 beim Zündzeitpunkt) gesucht. Bei Anwendung eines an sich bekannten Optimizer-Verfahren werden abwechselnd Einspritzbeginn und die Ein spritzrate periodisch so lange verändert, bis sich zum Zündzeitpunkt eine gewünschte und gleich zeitig minimale Luftzahl an der Zündstelle ergibt.

Fig. 9 ist schematisch die Auswirkung der Bestimmung und Anwendung einer minimalen Menge für die Gemischanreicherung an der Zündstelle als Funktion der Luftzahl λ nach Fig. 8 für einen Teillast-Betriebspunkt eines Motors dargestellt. Wie sich zeigt, ergeben sich bei reiner Direkteinspritzung mit "fettem" Gemisch in weiten Bereichen des Brennraums sehr große NOx-Emis sionen (35). Demgegenüber lassen sich mit einem üblichen Ottomotor deutlich niedrigere Rohemissionen erreichen (36). Da aber solche Motoren nur bei Luftzahlen bis ca. λ = 1,3 mit befriedigender Laufunruhe betrieben werden können, ist das Potential zur Absenkung der NOx-Emis sion gering. Bei einer minimalen Gemischanreicherung im Bereich der Zündstelle ergibt sich nur unwesentlich erhöhtes NOx-Niveau im Bereich kleiner Luftzahlen, aber ein besonders großes Potential zur NOx-Absenkung im Bereich großer Luftzahlen (37).

Fig. 10 zeigt für das Beispiel nach Fig. 9 den Kraftstoffverbrauch für die drei genannten Fälle (38, 39, 40). Danach ergibt sich für den Fall der minimalen Gemischanreicherung (40) an der Zündstelle ein ähnlicher minimaler Kraftstoffverbrauch wie bei reiner Direkteinspritzung, aber ein deutlich geringerer Kraftstoffverbrauch als bei üblichen Ottomotoren (39).

Der Vergleich in Fig. 11 zeigt, daß mit minimalen Gemischanreicherung an der Zündstelle eben falls eine besonders gute Laufunruhe des Motors erreicht wird (41, 42, 43).

Fig. 12 zeigt schematisch das Verfahren, bei dem die Anreicherung eines vorher im Brennraum (4) gebildeten mageren Grundgemischs an der Zündstelle (1) durch Einspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge auf einen Teil des Kolbenbodens (5) - analog zum in Fig. 1 gezeigten Fall - gespritzt wird, wobei die kleine Kraftstoffmenge Q teilweise wandangelagert wird und verdampft und als Teil einer Gemischwolke (44) in Richtung auf die Funkenzündeinrichtung (1) gelenkt wird.

Fig. 13 zeigt demgegenüber schematisch ein Verfahren, bei dem die Anreicherung eines vorher im Brennraum (4) gebildeten mageren Grundgemischs an der Zündstelle (1) durch Einspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge erzeugt wird, die unmittelbar in Richtung auf eine Funkenzündeinrichtung gerichtet eingespritzt wird. Dabei ist nicht zu vermeiden, daß ein Teil des zum Zündzeitpunkt zur Zündstelle gelangenden Kraftstoffs ebenfalls an festen Oberflächen - hier den Elektroden und/oder der Keramikoberfläche der Zündkerze - zunächst "wandangelagert" wird und dann auf den heißen Oberflächen der Zündeinrichtung verdampft.

Fig. 14 zeigt als Funktion des Kurbelwinkels in ° KW bzw. der Zeit z die Bildung eines Grundge mischs durch die Einspritzung einer Grundeinspritzmenge Q_o (Einspritzdauer ti₀) während des An saughubs des Motors und die Gemischanreicherung durch Einspritzung einer kleinen Zusatzein spritzmenge Q (Einspritzdauer ti) während des Verdichtungshubs des Motors unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZZP.

In Fig. 15 ist schematisch der charakteristische Verlauf des Ionenstroms i als Funktion der Zeit z, d. h. die Funktion i(z), mit den verschiedenen Merkmalen des Ionenstromverlaufs dargestellt, die zur Regelung der Gemischzusammensetzung zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle verwendet werden können. Dazu gehören der Maximawert i_max, die Steigung i', mit der der Ionenstrom im Anfangsbereich ansteigt, die Zeitdauer zi (Kurbelwinkel), die der Ionenstrom einen vorgegebenen Schwellwert i_o überschreitet sowie insbesondere der Integralwert von i(z)dz, der auch widerspie gelt, daß ein zunächst nicht "optimaler" Gemischzustand beim Zündfunken-Durchbruch durch nach folgend besonders gute Eigenschaften im Bereich des Zünfunkens, kompensiert werden kann (und umgekehrt).

Fig. 16 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung des Regelverfahrens mit systematischer bzw. periodischer Änderung der Einspritzmenge Q um einen Änderungsbetrag ΔQ bei konstant gehaltenem Einspritz zeitpunkt EZ und Zündzeitpunkt ZZP zum Auffinden der gewünschten Gemischzusammensetzung an der Zündstelle zum Zündzeitpunkt.

Bei dem Verfahren werden mit einer Elektronikeinheit (46), die vorzugsweise Teil einer Motor steuereinheit (47) ist, systematische Änderungen der Einspritzmenge Q um ΔQ herbeigeführt, wobei Q sowohl eine einzelne "spät" eingespritzte Haupteinspritzmenge als insbesondere auch eine nach einer "früh" eingespritzten Grundeinspritzmenge Q_o "spät" eingespritzten Zusatz-Kraft stoffmenge Q (Einspritzdauer ti) nach Fig. 14 sein kann. Dabei wird von der Elektronikeinheit (46) z. B. in einer Ausgangsstufe (48) eine Einspritzdauer ti + Δti (entspricht Q + ΔQ) gebildet. Hier kann Δti sowohl positive als auch negative Werte annehmen.

Die systematisch um Δti modifizierte Einspritzmenge ti führt zu entsprechenden Veränderungen der durch das Einspritzventil (49) in den Brennraum (50) des Motors gespritzten Einspritzmenge ΔQ, wobei der zugehörige Ionenstromverlauf an der Zündkerze (51) an der Zündspule (52) mit bekannten Verfahren gemessen wird.

Der in einer Auswertestufe (53) erzeugte Verlauf des Ionenstroms als Funktion der Zeit i(z) bzw. des Kurbelwinkels wird in einer weiteren Auswertestufe (54) integriert. Nachfolgend werden in einer weiteren Stufe Differenzwerte gebildet, die z. B. auch Differenzwerte von unmittelbar auf einanderfolgenden Meßwerten sein können. Die Funktionen der Stufen 53-55 können in die Motorsteuereinheit integriert werden.

Fig. 17 zeigt eine Erläuterung des Regelverfahrens nach Fig. 16 mit systematischer bzw. periodi scher Änderung der Einspritzdauer ti bzw. der Einspritzmenge Q nach Fig. 16. Bei einer schritt weisen Suche nach einem "Bestwert" für den Ionenstrom können bekannte einfache Suchverfah ren für die Lage des maximalen Ionenstroms verwendet werden. Daneben ist auch ein sogenann tes "Optimizer"-Verfahren vorteilhaft einsetzbar.

Dabei wird der Kurvenverlauf I(ti) mit eindeutigem Maximalwert I_max benutzt, um mit periodischen Änderungen von ti um Δti (56) einen sich periodisch ändernder Ionenstromverlauf ΔI (57) zu erzeugen, wobei durch die elektronische Auswertung der Amplituden der Änderungen und deren Phasenlagen zueinander sowohl die Einspritzdauer t_im mit maximalem Ionenstrom als auch syste matisch vom Maximalwert abweichende Ionenstromwerte mit zugehöriger Einspritzdauer bzw. Ein spritzmengen ermittelt werden können.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Gemischzusammensetzung an der Zündstelle zum Zeitpunkt der Funkenzündung bei Ottomotoren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Verwendung der Zünd vorrichtung als Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Direkteinspritzung zugeführte Kraftstoff zumindest teilweise auf eine feste Oberfläche trifft und dort zur Verbesserung der Gemischaufbereitung und Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemischs wandangelagert wird und während des weiteren Verdichtungstaktes des Motors von dort verdampft und/oder von der Strömung mitgerissen wird und mit einem Teil des übrigen Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum vermischt wird und daß eine mit der nachfolgenden Funkenzündung des Gemischs im Zusammenhang stehende elektrische Meßgröße zur Regelung der Gemischzusam mensetzung an der Zündstelle verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zur Zündstelle gelan genden Kraftstoff-Luft-Gemisches vorher zumindest teilweise wandangelagert war.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zur Zündstelle gelangenden Kraftstoff-Luft-Gemisches vorher zumindest teilweise auf einem Teil der Kolben oberfläche des Motors wandangelagert war.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zur Zündstelle gelangenden Kraftstoff-Luft-Gemisches vorher zumindest teilweise auf einem Teil der Zylinder kopfoberfläche des Motors wandangelagert war.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zur Zünd stelle gelangenden Kraftstoff-Luft-Gemisches vorher zumindest teilweise in oder in der Um gebung einer Mulde im Kolben des Motors wandangelagert war.

6. Verfahren nach einem der den Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anrei cherung eines mageren Grundgemischs mit Kraftstoff im Bereich der Zündstelle zum Zeitpunkt der Zündung durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenzündung und die mit der Funkenzündung des Gemischs im Zusammenhang stehende Er mittlung der elektrischen Meßgröße zur Regelung der Gemischzusammensetzung dann erfolgt, wenn zumindest der vordere Teil der Funkenzündeinrichtung sich innerhalb der Kolbenmulde befindet.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde so bemessen ist, daß sie im wesentlichen nur die Funkenzündeinrichtung mit ausreichendem Spiel zu den Wänden und dem Boden der Kol benmulde aufnimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde im wesent lichen eine zylindrische Form aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde im wesentlichen zentral im Kolben angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funken zündung und zur Ermittlung der Meßgröße eine Zündvorrichtung mit mindestens einer Finger-Mas seelektrode verwendet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funken zündung und zur Ermittlung der Meßgröße eine im wesentlichen zylindrische Vorkammer-Fun kenzündeinrichtung verwendet wird, die mit ihrem vorderen Teil in die Kolbenmulde eintaucht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen zylindri sche Vorkammer-Funkenzündeinrichtung als Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung ausgebil det ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße für das Regelverfahren ein Wert dient, der aus dem an der Zündstelle im Zusammenhang mit der Zündung gemessenen Zünd spannungsverlauf gewonnen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße für das Regel verfahren die maximale Zündspannung der Funkenzündung dient.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße für das Regelverfahren ein Wert dient, der aus dem an der Zündstelle im Zusammenhang mit der Zündung gemessenen Ionenstromverlauf gewonnen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Gemischzu sammensetzung ein charakteristisches Merkmal des Ionenstromverlaufs verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristisches Merkmal des Ionenstromverlaufs der über die Zeit integrierte Ionenstromverlauf verwendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristisches Merkmal des Ionenstromverlaufs der über den Kurbelwinkel integrierte Ionenstromverlauf verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Regelung der Gemischzusammensetzung an der Zündstelle ein Sollwert für die an der Zündkerze gemessene elektrische Größe geregelt wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Suchschritt-Verfahren verwendet wird, bei dem jeweils zwei der Größen "Einspritzbeginn", "Einspritzrate" und "Zündwinkel" konstant gehalten werden und eine dritte Größe systematisch variiert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine periodische Änderung einer der Größen "Einspritzbeginn", "Einspritzrate" oder "Zündzeitpunkt" bei jeweiligem Konstant halten der beiden anderen Größen durchgeführt und die gewünschte Gemischzusammensetzung nach einem bekannten Extremwertsuchverfahren (Optimizer-Prinzip) eingestellt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Suchschritt-Verfahren eine Anreicherung des Gemischs an der Zündstelle zum Zündzeit punkt auf einen vorgegebenen Luftzahlwert durch Veränderung des Einspritzbeginns geregelt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Suchschritt-Verfahren eine Anreicherung des Gemischs an der Zündstelle zum Zündzeit punkt auf einen minimalen vorgegebenen Luftzahlwert und dazu notwendige minimale Zusatzmen ge Kraftstoff durch Veränderung des Einspritzbeginns und der Einspritzrate geregelt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, das die Regelung der Gemischzusammensetzung zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle durch Verän derung von Einspritzbeginn und/oder Einspritzrate mit einem an sich bekannten adaptiven Regel verfahren erfolgt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21, 22, 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Einspritzrate der Kraftstoff-Systemdruck der Einspritzanlage geändert wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21, 22, 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Einspritzrate der Zumeßquerschnitt der Einspritzdüse geändert wird.

28. Verfahren zur Eichung des Ionenstrom-Meßverfahrens zur Regelung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor kurzzeitig bei homogenem fetten Gemisch, insbesondere bei λ = 0,9 betrieben wird und ein dabei ermittel ter Wert für den integrierten Ionenstrom I_ist mit einem gespeicherten Wert I_soll verglichen wird und die vom Betriebspunkt des Motors abhängigen Sollwerte für den Ionenstrom korrigiert werden.

29. Verfahren zur Diagnose der Einspritzeinrichtung in einem Verfahren nach einem der Ansprü che 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in ausgewählten Betriebspunkten ein Vergleich zwi schen dem für den Betriebspunkt in einem Speicher abgelegten Sollwert für den Einspritzbeginn und dem aktuellen Istwert für den Einspritzbeginn durchgeführt wird und bei zu großem Unter schied auf einen Fehler geschlossen wird.

30. Verfahren zur Diagnose der Einspritzeinrichtung in einem Verfahren nach einem der Ansprü che 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in ausgewählten Betriebspunkten ein Vergleich zwischen dem für den Betriebspunkt in einem Speicher abgelegten Sollwert für den Einspritz druck und dem aktuellen Istwert durchgeführt wird und bei zu großem Unterschied auf einen Fehler geschlossen wird.

31. Verfahren zur Diagnose der Einspritzeinrichtung in einem Verfahren nach einem der An sprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in ausgewählten Betriebspunkten ein Ver gleich zwischen dem für den Betriebspunkt in einem Speicher abgelegten Sollwerten für den Einspritzbeginn, und den Einspritzdruck und den aktuellen Istwerten für diese Größen durchge führt wird und bei zu großem Unterschied eines aus den jeweiligen Wertepaaren bestimmten Rechenwertes auf einen Fehler geschlossen wird.

32. Verfahren zur Diagnose der Zündung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der der zeitliche Verlauf des Ionenstroms oder ein aus diesem abgeleiteter Wert zur Erkennung von Fehlzündungen verwendet wird.