DE4020298A1

DE4020298A1 - Einspritzzeitpunktsteuersystem fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4020298A1
Application number: DE4020298A
Authority: DE
Inventors: Hideo Watanabe; Koji Morikawa
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1990-06-26
Publication date: 1991-01-10
Anticipated expiration: 2010-06-27
Also published as: GB2233388A; GB2233388B; DE4020298C2; US5086737A; GB9014142D0

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung des Ein spritzzeitpunkts für eine Brennkraftmaschine mit Direkt einspritzung, insbesondere zur Förderung der Schichtenver brennung.

Bei einem Direkteinspritzsystem wird aus einem Einspritzer nahe einer Zündkerze ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingespritzt, während gleichzeitig eine Ausbreitung des Kraftstoffs unterdrückt wird. Das Gemisch wird mit der Zündkerze gezündet und unter Flammenausbreitung kontinuier lich verbrannt, um die Schichtenverbrennung zu erreichen.

Um den Spülungswirkungsgrad im Niedriglastbereich einer Zweitaktmaschine zu verbessern und das Entweichen des Kraftstoffs aus einem Auslaßschlitz zu verhindern, wurde das Direkteinspritzsystem vorgeschlagen. Dabei wird Luft nur von einer Spülpumpe durch einen Spülschlitz zum Zylin der angesaugt, und der Kraftstoff wird von einem Einsprit zer nach dem Schließen des Spülschlitzes direkt zum Zylin der eingespritzt. Bei einem solchen System sind der Ein spritzer und eine Zündkerze in einem Brennraum des Zylin ders angeordnet.

Bei einer Viertaktmaschine wird die Maschinenlast durch Einstellen der Kraftstoffmenge vom Einspritzer geregelt, wodurch Drosselverluste der angesaugten Lut verringert werden. Somit wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis mager, wodurch der Wärmewirkungsgrad und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden. Es ist daher erwünscht, die Schichten verbrennung innerhalb eines großen Betriebsbereichs der Maschine zu erreichen. Wenn aber in einem Hochlastbereich der Maschine eine Schichtenverbrennung des Gemischs er folgt, kann die Luft nicht ausreichend ausgenützt werden, so daß keine hohe Maschinenleistung erzeugt wird. Es ist also erforderlich, die Verbrennung sofort zu homogener Gemischverbrennung zu ändern.

Um einen gleichmäßigen Übergang der Verbrennung zwischen der Schichtenladung und dem homogenen Gemisch sicherzu, stellen, müssen die Anordnungen des Einspritzers, der Zünd kerze und ihres Elektrodenabstands, der eingespritzte Kraftstoffstrom, die Einspritzmenge und der Einspritzzeit punkt entsprechend dem Zündzeitpunkt richtig bestimmt wer den. Der Kraftstoff wird aus dem Einspritzer während einer Zeitdauer zwischen dem Schließen des Auslaßventils bis zur Zündung eingespritzt. Die Zeitdauer ist bei der Viertakt maschine gegenüber der Zeitdauer bei der Zweitaktmaschine lang. Bei jeder Maschine muß der Kraftstoff unmittelbar vor der Zündung eingespritzt werden, um die Schichtenverbren nung zu erreichen. Da der Zündzeitpunkt und die Einspritz menge sich entsprechend den Maschinenbetriebszuständen ändern, ist es erwünscht, eine Einspritzbeginn- und eine Einspritzendzeit richtig einzustellen.

Die JP-OS 62-32 214 zeigt eine solche Zweitaktmaschine. Diese hat einen in der oberen Wand eines Brennraums ausge bildeten kugelförmigen Hohlraum, der in bezug auf die Achse des Zylinders exzentrisch angeordnet ist. Der Hohlraum un terstützt die Verwirbelung von Frischluft in Vertikalrich tung unter Bildung einer vertikalen Wirbelströmung. Einge spritzter Kraftstoff wird mit verwirbelter Luft vermischt, die in Richtung zu einer Zündkerze bewegt wird. Ein Ein spritzer und eine Zündkerze sind an der Oberseite des Hohl raums angeordnet.

Bei diesem System ist durch Messung der Strömung im Hohl raum mit einem Laser-Doppler-Anemometer ersichtlich, daß ein Zyklus des Wirbels je nach den Maschinenbetriebszustän den erheblich schwankt. Es ist somit schwierig, den Kraft stoff in irgendeinem Maschinenbetriebszustand in stabiler Weise zu zünden. Im Hochlastbereich der Maschine wird der Kraftstoff aufgrund des Wirbelstroms nicht gleichförmig verteilt, so daß eine homogene Gemischverbrennung nicht erreichbar ist. Infolgedessen kann eine hohe Ausgangslei stung der Maschine im Hochlastbereich nicht erwartet wer den.

Die JP-OS 60-501 963 zeigt ein Direkteinspritzsystem, bei dem der Kraftstoff in den Zylinder mit einem Einspritzdruck von 5-7 kg/cm² eingespritzt wird.

Bei dem Direkteinspritzsystem wird der Kraftstoff einge spritzt, nachdem der Auslaßschlitz beim Verdichtungshub geschlossen ist. Da der Druck im Zylinder in einer späten Phase des Verdichtungshubs hoch ist, kann der Kraftstoff nicht in den Zylinder eingespritzt werden. Es ist infolge dessen schwierig, den Einspritzzeitpunkt auf einen richti gen Zeitpunkt nach Maßgabe der Maschinenbetriebszustände einzustellen. Infolgedessen werden die Zündung und die Kraftstoffeinspritzung unvermeidlich auf frühere Zeitpunkte eingestellt. Insbesondere wird der Einspritzzeitpunkt für die Schichtenladung nicht richtig eingestellt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Direkt einspritzsteuersystems für eine Brennkraftmaschine, wobei Zeitpunkt und Dauer der Kraftstoffeinspritzung nach Maßgabe der Maschinenbetriebszustände einstellbar sind.

Gemäß der Erfindung wird ein Einspritzzeitpunktsteuersystem für eine Brennkraftmaschine angegeben, die wenigstens einen Zylinder, an dem ein Einspritzer zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Zylinder vorgesehen ist, und eine Zünd kerze aufweist.

Dieses System ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ein spritzer nahe einer Achse des Zylinders angeordnet ist, daß die Zündkerze so angeordnet ist, daß ihr Elektrodenabstand die Achse umgebend positioniert ist und eine vorbestimmte Entfernung vom Einspritzer hat, um den daraus eingespritzten Kraftstoff zu zünden, daß eine erste Einstelleinrichtung vorgesehen ist, die einen Einspritzendewinkel so einstellt, daß der Zündzeitpunkt nach Maßgabe der Ankunftszeit eines Kraftstoffsprühstrahls am Elektrodenabstand vorverstellt ist; und daß eine zweite Einstelleinrichtung vorgesehen ist, die einen Einspritzbeginnwinkel in bezug auf den Ein spritzendewinkel nach Maßgabe einer Kraftstoffmenge ein stellt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Einspritzer als Einspritzkonus ausgebildet, und die Ankunftszeit ist nach Maßgabe der Länge und der Geschwindigkeit des Kraftstoff strahls bestimmt.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1a und 1b schematische Darstellungen des Einspritzzeit punktsteuersystems nach der Erfindung für eine Zweitaktmaschine;

Fig. 2a ein Diagramm, das Charakteristiken eines Ein spritzers zeigt;

Fig. 2b eine schematische Perspektivansicht eines Ein spritzers;

Fig. 3 ein Diagramm, das einen Einspritzzeitpunkt zeigt;

Fig. 4a und 4d schematische Darstellungen zur Erläuterung von Ausbildungen eines brennbaren Gemischs im Niedrig- und im Mittellastbereich der Ma schine;

Fig. 5 ein Flußdiagramm zum Berechnen des Einspritz zeitpunkts;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Kraftstoffeinspritzung zeigt;

Fig. 7a und 7b schematische Darstellungen eines zweiten Aus führungsbeispiels des Systems nach der Erfin dung;

Fig. 8a ein Diagramm, das Charakteristiken von Spül luftmengen und eines Öffnungsgrads eines Steuerventils entsprechend einem Betätigungs grad des Fahrpedals zeigt;

Fig. 8b ein Diagramm, das Charakteristiken eines Kraftstoff-Luft-Gemischs zeigt;

Fig. 8c ein Zeitdiagramm, das Charakteristiken der Bewegung eines als Drehschieber ausgebildeten Steuerventils zeigt;

Fig. 9a und 9b Diagramme des Zündzeitpunkts;

Fig. 10 ein Flußdiagramm für den Einspritzzeitpunkt; und

Fig. 11a und 11b Diagramme, die den Einspritzzeitpunkt in einem Niedrig- und einem Hochlastbereich der Maschi ne zeigen.

Nach Fig. 1 hat eine Zweitaktmaschine 1 einen Zylinder 2, eine darin vorgesehenen Kolben 3 sowie einen in einem Zylinderkopf 4 und einem oberen Teil des Zylinders 2 gebil deten Brennraum 5.

Der Brennraum 5 hat an seiner Oberseite einen gewölbten Hohlraum 5a, der relativ zu einer Achse des Zylinders 2 versetzt ist, und einen am Oberende des Brennraums 5 ver tikal ausgebildeten Zündkerzenbefestigungsteil 5b. Der gewölbte Hohlraum 5a ist mit einer Quetschwirbelzone 5c über den Zündkerzenbefestigungsteil 5b verbunden.

Ein Einspritzer 6 ist an der Oberseite des Brennraums 5 nahe der Achse des Zylinders 2 vorgesehen und zur Mitte des Brennraums 5 gerichtet. Eine Zündkerze 7 ist auf dem Zünd kerzenbefestigungsteil 5b des Hohlraums 5a vorgesehen und gegen die Achse geneigt. Die Zündkerze 7 ist so angeordnet, daß ihr Elektrodenabstand 7a in einem vorbestimmten Abstand vom Einspritzer 6 in Kraftstoffeinspritzrichtung positio niert ist und aus dem Hohlraum 5a so vorsteht, daß er von einem Luftwirbel im Zylinder 2 nicht beeinflußt wird.

Kraftstoff in einem Kraftstoffbehälter 15 eines Kraftstoff zufuhrsystems 10 wird dem Einspritzer 6 durch eine Kraft stoffleitung 14 mit einer Pumpe 12, einem Filter 11 und einem Druckregler 13, der den Kraftstoff auf einem vorbe stimmten Druck hält, zugeführt. Eine Steuereinheit 20 er zeugt ein Einspritzmengensignal und ein Einspritzzeitpunkt signal zum Einspritzer 6 zur Kraftstoffeinspritzung sowie ein Zündzeitpunktsignal zu der Zündkerze 7 zum Zünden der selben.

Der Einspritzer 6 hat eine elektromagnetische Einlochdüse und der Einspritzwinkel α eines Kraftstoffsprühstrahls liegt bevorzugt zwischen 40 und 80°.

Fig. 2a zeigt Charakteristiken eines Teilchendurchmessers und der Eindringkraft des eingespritzten Kraftstoffs ent sprechend dem Einspritzdruck der Maschine. Wenn der Ein spritzdruck zwischen 30 und 100 kg/cm² innerhalb eines optimalen Betriebsbereichs a liegt, wird die Eindringkraft konstant, und die Einspritzkraft wird zur Vergasung des Kraftstoffs ausgenützt, so daß der Teilchendurchmesser so klein wird, daß er im Mittel 10 µm beträgt.

Nach Fig. 2b hat ein Kraftstoffsprühstrahl F konische Form. Der Teilchendurchmesser in einem Außenrandbereich Fa des Sprühstrahls F ist groß, und die Kraftstoffdichte des be reichs ist hoch. Die großen Teilchen werden jedoch von der Luft abgeschert und werden zu feinen Teilchen. Daher befin det sich der Kraftstoff in diesem Bereich in einem leicht zündfähigen Zustand. Ein Innenbereich Fb des Sprühstrahls F hat geringe Dichte und umfaßt Teilchen mit kleinem Durch messer, so daß der Kraftstoff in diesem Bereich ebenfalls einen zündfähigen Zustand hat. In diesem Fall ist die Ein spritzrate (die pro Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoff menge) mit einem vorbestimmten Konstantwert gegeben.

Die Entfernung zwischen dem Einspritzer 6 und dem Elektro denabstand 7a sollte richtig bestimmt sein. Wenn die Ent fernung zu kurz ist, ist die Geschwindigkeit des Kraft stoffsprühstrahls F am Elektrodenabstand 7a hoch. Infolge dessen ist der Kraftstoff noch nicht ausreichend mit der Luft vermischt, so daß er von der Zündkerze schwer zu zün den ist. Wenn die Entfernung zu groß ist, wird der Sprüh strahl weitgehend gestreut, so daß das Gemisch mager wird, was zu Schwierigkeiten beim Zünden führt. Ferner wird das Kraftstoffgemisch durch die Wirbelströmung gestört. Infol gedessen hat der Elektrodenabstand 7a eine Entfernung 1 vom Einspritzer 6, die zwischen einer ersten Entfernung l1 und einer zweiten Entfernung l2 liegt. Im Fall der ersten Ent fernung l1 von z. B. 15 mm wird die Geschwindigkeit des Sprühstrahls F zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit, die niedriger als die Anfangsgeschwindigkeit ist. Im Fall der zweiten Entfernung l2 von z. B. 30 mm wird eine vorbestimm te Streuung des Sprühstrahls erreicht.

Gemäß Fig. 1b sind ein Fahrpedalbetätigungsgradsensor 16 und ein Kurbelwinkelsensor 17 vorgesehen, um Maschinenbe triebszustände zu bestimmen. Ein Ausgangssignal des Fahr pedalbetätigungsgradsensors 16 wird einem Maschinenlast detektor 21 der Steuereinheit 20 zugeführt, der eine Ma schinenlast Q detektiert. Ein Ausgangssignal es Kurbel winkelsensors 17 wird einem Maschinendrehzahldetektor 22 und einem Kurbelwinkeldetektor 23 zugeführt, die eine Ma schinendrehzahl N bzw. einen Kurbelwinkel R detektieren. Diese Signale Q, N und R werden einem Zündzeitpunktbe stimmungsteil 24 zugeführt, in dem ein Zündkurbelwinkel Ig aus einer in einer Zündzeitpunkttabelle 25 angeordneten Nachschlagetabelle nach Maßgabe der Maschinenlast Q und der Maschinendrehzahl N abgeleitet wird. Ein Zündsignal wird der Zündkerze 7 über einen Treiber 26 zugeführt.

Die Steuereinheit 20 weist ferner einen Einspritzimpuls dauerbestimmungsteil 27 auf, dem die Maschinenlast Q und die Maschinendrehzahl N zugeführt werden. Dort wird eine Grundeinspritzmenge entsprechend den Maschinenbetriebszu ständen auf der Basis der Maschinenlast Q und der Maschi nendrehzahl berechnet. Die berechnete Grundeinspritzmenge wird mit verschiedenen Korrekturwerten korrigiert unter Bildung einer Soll-Einspritzmenge. Eine Einspritzimpuls dauer Ti wird nach Maßgabe der berechneten Einspritzmenge bestimmt. Die Maschinendrehzahl N, der Kurbelwinkel R, der Zündwinkel Ig und die Einspritzimpulsdauer Ti werden einem Einspritzzeitpunktbestimmungsteil 28 zugeführt, in dem ein Einspritzbeginnkurbelwinkel Is und ein Einspritz endekurbelwinkel Ie für die Kraftstoffeinspritzung berech net werden zur Bildung eines Einspritzzeitpunktsignals. Dieses wird dem Einspritzer 6 über einen Treiber 29 zuge führt.

Die Entfernung 1 zwischen dem Einspritzer 6 und dem Elek trodenabstand 7a ist z. B. mit 20 mm festgelegt. Die Ge schwindigkeit Vf des Sprühstrahls ist eine Funktion des Einspritzdrucks Pf und eines Ansaugdrucks p. Wenn ein Hoch druckeinspritzer verwendet wird, beträgt die Geschwindig keit Vf des Sprühstrahls ca. 50 ms. Somit wird eine An kunftszeit Ts des Sprühstrahls Vf am Elektrodenabstand 7a in bezug auf den OT des Kolbenhubs wie folgt berechnet:

Ts = (l/Vf) - Tr

wobei Tr eine zeitliche Verzögerung der Einspritzerbetäti gung ist.

Ein Kurbelwinkel Rs, der der Zeit Ts (ms) relativ zur Maschinendrehzahl N (U/min) entspricht, wird aus der fol genden Gleichung berechnet:

Rs = Ts · N · ³⁶⁰/_{60 000}.

Ebenso wird ein Kurbelwinkel Ri entsprechend der Ein spritzimpulsdauer Ti berechnet.

Wenn, wie Fig. 3 zeigt, der Einspritzendekurbelwinkel Ie um den Winkel Rs gegenüber dem Zündwinkel Ig vorverstellt ist, wird der Kraftstoff gezündet, wenn ein späterer Teil des Sprühstrahls F den Elektrodenabstand 7a erreicht. Der Einspritzbeginnwinkel Is wird durch Vorverstellen des Win kels Ri gegenüber dem Einspritzendewinkel Ie bestimmt. Somit wird der Einspritzbeginnkurbelwinkel Is wie folgt berechnet:

Is = Ig - (Rs + Ri).

Der Betrieb der Zweitaktmaschine wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 4-6 erläutert.

Wenn der Kolben 3 nach unten geht und einen Auslaßschlitz (nicht gezeigt) öffnet, wird ein Teil der Verbrennungsgase aus dem Auslaßschlitz abgegeben. Wenn Spülschlitze (nicht gezeigt) öffnen, wird dem Zylinder 2 durch die Spülschlitze in entgegengesetzten Richtungen unter Druck stehende Spül luft zugeführt. Die Spülluft strömt an der Wand des Zylin ders 2 aufwärts und wird von der Wand des Hohlraums 5a um geleitet unter Bildung des vertikalen Wirbels S. Der Wirbel strömt zum Teil 5b und zur Quetschwirbelzone 5c, ohne den Elektrodenabstand 7a zu beeinflussen. Infolgedessen werden Verbrennungsgase im Zylinder 2 ausgespült, und frische An saugluft wird in den Zylinder unter vertikaler Verwirbelung eingelassen.

Während des Aufwärtshubs geht der Kolben 3 nach oben und schließt die Spül-und Auslaßschlitze. Eine geringe Kraft stoffmenge wird aus dem Einspritzer 6 nach dem Schließen des Auslaßschlitzes eingespritzt.

Im Betrieb der Maschine wird der vom Druckregler 13 des Kraftstoffzufuhrsystems 10 geregelte Kraftstoff dem Ein spritzer 6 zugeführt.

Es folgt die Beschreibung des Betriebs der Steuereinheit 20. Ausgangssignale des Fahrpedalbetätigungsgradsensors 16 und des Kurbelwinkelsensors 17 werden der Steuereinheit 20 zugeführt. Die Maschinendrehzahl N und die Maschinenlast Q werden dem Einspritzimpulsdauerbestimmungsteil 27 zuge führt, der die Einspritzimpulsdauer Ti nach Maßgabe der Maschinenbetriebszustände liefert. Die Maschinendrehzahl N, die Maschinenlast Q und der Kurbelwinkel R werden dem Zündzeitpunktbestimmungsteil 24 zugeführt. Der Zündwinkel Ig wird richtig so bestimmt, daß im Hochlastbereich der Maschine kein Klopfen auftritt. Der Zündwinkel Ig, die Ein spritzimpulsdauer Ti, die Maschinendrehzahl N und der Kur belwinkel R werden dem Einspritzzeitpunktbestimmungsteil 28 zugeführt. Der Einspritzbeginnwinkel Is und der Ein spritzendewinkel Ie werden entsprechend dem Flußdiagramm von Fig. 5 berechnet.

Im Niedrig- und im Mittellastbereich der Maschine wird beim Einspritzbeginnwinkel Is eine geringe Kraftstoffmenge durch den Einspritzer 6 eingespritzt, wie Fig. 4a zeigt. Nach Fig. 4b wird eine geringe Menge des konischen Sprühstrahls F durch Vermischen mit der Vergasungsluft verteilt, wodurch die Dichte des Sprühstrahls F verringert wird. Da zu diesem Zeitpunkt der Einspritzdruck und die Anfangsgeschwindigkeit des Sprühstrahls F hoch sind, wird der Sprühstrahl F nicht wesentlich von dem vertikalen Wirbel S beeinflußt. Beim Einspritzendewinkel Ie wird die Einspritzung unterbrochen. Nach Ablauf der dem Kurbelwinkel Rs entsprechenden Zeit dauer erreicht der Sprühstrahl F den Elektrodenabstand 7a der Zündkerze 7, wie Fig. 4c zeigt. In diesem Zustand hat der frühe Teil des Sprühstrahls F die richtige Position. Daher wird der Kraftstoff von der Zündkerze 7 zuverlässig gezündet. Wie Fig. 4d zeigt, breitet sich im Schichtenver brennungsbetrieb, ausgehend von einem Teil vor dem Elek trodenabstand 7a, eine Flamme aus.

Bei diesem System wird die Kraftstoffeinspritzung nach Maß gabe des Einspritzbeginnwinkels Is und des Einspritzende winkels Ie relativ zum Zündwinkel Ig gesteuert. Wenn der Zündwinkel Ig entsprechend einer Erhöhung der Maschinen drehzahl vorverstellt ist, werden der Einspritzbeginnwinkel Is und der Einspritzendewinkel Ie entsprechend Fig. 6 vor verstellt. Der Einspritzbeginnwinkel Is und der Einspritz endewinkel Ie werden nach Maßgabe der Maschinendrehzahl N entsprechend der Maschinenlast Q gesteuert.

Im Hochlastbereich der Maschine, in dem eine große Kraft stoffmenge F eingespritzt wird, ist der Einspritzbeginn winkel Is nahe dem UT eingestellt. Die Einspritzung beginnt unmittelbar nach dem Schließen des Auslaßschlitzes. Der Kraftstoff wird im Zylinder 2 infolge eines ausreichenden Eindringens des Sprühstrahls F stark verteilt. Der Kraft stoff wird ferner während des Verdichtungshubs mit der Luft vermischt unter Bildung eines homogenen Gemischs.

Gemäß den Fig. 7a und 7b, die das zweite Ausführungsbei spiel der Erfindung zeigen, ist in der Wand des Zylinders 2 ein Auslaßkanal 8 gebildet, und eine Mehrzahl von Spül kanälen 9 ist gegenüber dem Auslaßkanal 8 und auf einem niedrigeren Niveau als dieser gebildet.

Der Maschine 1 wird Luft von einer Spülpumpe 31 zugeführt, und eine Saugluftleitung 37 hat eine Spülkammer 32 zur Auf nahme von Spüldruckwellen beim Öffnen oder Schließen des Spülkanals 9. Um die Spülpumpe 31 führt eine Bypassleitung 34 herum, in der ein Steuerventil 33 angeordnet ist. Die Spülpumpe 31 wird von der Kurbelwelle der Maschine über ein Getriebe zur Erzeugung eines Spüldrucks angetrieben. Ein Fahrpedal 35 ist mit dem Steuerventil 33 über einen Ven tilsteller 36 betriebsmäßig verbunden.

Wenn gemäß Fig. 8a der Betätigungsgrad Φ des Fahrpedals 35 unter einem vorbestimmten Wert Φo liegt, wird der Öffnungsgrad des Steuerventils 33 konstant gehalten. Wenn der Betätigungsgrad Φ den Wert Φo übersteigt, wird das Steuerventil 33 vom Steller 36 mit zunehmendem Betätigungs grad Φ allmählich geschlossen. Somit wird die Spülluft menge ausgehend von dem Konstantwert mit zunehmendem Betä tigungsgrad Φ erhöht. Nach Fig. 8b sind die Spülluftmenge sowie der Wert Φo so bestimmt, daß ein vorbestimmtes Kraftstoff-Luft-Verhältnis erhalten wird, wodurch Zündaus setzer, die durch einen Überschuß im Abgas bewirkt werden, im gesamten Maschinenbetriebsbereich verhindert werden.

Die Abgase der Maschine 1 werden durch den Auslaßkanal 9 abgeführt. Im Auslaßkanal 8 ist ein Auslaßdrehschieber 18 angeordnet.

Nach Fig. 8c erfolgt ein symmetrisches Öffnen und Schließen des Auslaßkanals 8 in bezug auf den UT. In gleicher Weise erfolgt ein symmetrisches abwechselndes Öffnen und Schlie ßen des Spülkanals 9, so daß ein kleinerer Winkel als der jenige des Auslaßkanals 8 gebildet ist. Der Drehschieber 18 öffnet und schließt vor dem Öffnen und Schließen des Aus laßkanals 8. Da der tatsächliche Auslaßhub ausgeführt wird, wenn der Auslaßkanal 8 öffnet und der Drehschieber 18 schließt, wird der zulässige Einspritzbereich vergrößert.

Die übrigen Teile entsprechen dem ersten Ausführungsbei spiel und sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß den Fig. 7a und 7b bestimmt eine Steuereinheit 30 des zweiten Ausführungsbeispiels den Zündwinkel Ig in gleicher Weise wie die Steuereinheit 20 des ersten Ausführungsbei spiels.

Die Steuereinheit 30 hat ferner einen Niedriglastmodusbe stimmungsteil 38 und einen Hochlastmodusbestimmungsteil 39, denen der Fahrpedalbetätigungsgrad Φ zugeführt wird. Der Niedriglastmodusbestimmungsteil 38 bestimmt einen Niedrig lastmodus der Maschine im Fall von Φ < Φo. Der Hochlast modusbestimmungsteil 39 bestimmt einen Hochlastmodul der Maschine im Fall von Φ ≧ Φo. Ein Niedriglastmodussignal vom Teil 38 wird einem Einspritzzeitpunktbestimmungsteil 40 zugeführt, und ein Hochlastmodussignal vom Teil 39 wird einem Einspritzzeitpunktbestimmungsteil 41 zugeführt.

Die übrigen Teile der Steuereinheit 30 entsprechen denen der Steuereinheit 20 des ersten Ausführungsbeispiels und sind mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1a und 1b versehen.

Der Einspritzzeitpunktbestimmungsteil 40 bestimmt den Ein spritzzeitpunkt zur Steuerung der Maschinenlast durch Schichtenladung im Niedriglastbereich der Maschine. Das heißt, die Maschinendrehzahl N, der Kurbelwinkel R, der Zünd winkel Ig und die Einspritzimpulsdauer Ti werden dem Ein spritzzeitpunktbestimmungsteil 40 zugeführt, in dem der Einspritzbeginnwinkel Is und der Einspritzendewinkel Ie berechnet werden. Die Ankunftszeit Ts des Sprühstrahls Vf am Elektrodenabstand 7a wird nach Maßgabe der Entfernung l und der Geschwindigkeit des Sprühstrahls Vf berechnet. Ein der Ankunftszeit Ts (ms) entsprechender Kurbelwinkel Rs wird berechnet. Ebenso wird ein der Impulsdauer Ti entspre chender Kurbelwinkel Ri berechnet.

Wenn der Einspritzendewinkel Ie durch Vorverstellen des Winkels Rs gegenüber dem Zündwinkel Ig bestimmt ist, wird gemäß Fig. 9a der Kraftstoff gezündet, wenn der spätere Teil des Sprühstrahls F den Elektrodenabstand 7a erreicht. Der Einspritzbeginnwinkel Is wird durch Vorverstellen des Winkels Ri gegenüber dem Einspritzendewinkel Ie bestimmt. Somit wird der Einspritzbeginnwinkel Is wie folgt be rechnet:

Is = Ig - (Rs + Ri)

Der Einspritzzeitpunktbestimmungsteil 41 dient der Steue rung der Maschinenlast durch homogene Gemischverbrennung im Mittel- und Hochlastbereich der Maschine. Der Einspritz zeitpunktbestimmungsteil 41 bestimmt den Einspritzbeginn winkel Is entsprechend dem Schließen des Drehschiebers 18, um das Entweichen von Kraftstoff zu verhindern. Der Kraft stoff wird möglichst frühzeitig verteilt zur Bildung des homogenen Gemischs, so daß der Maschinenbetrieb im Mittel- und Hochlastbereich steuerbar ist. Da der Sprühstrahl F den Auslaßkanal 8 mit geringer Verzögerung erreicht, kann die Einspritzbeginnzeit tatsächlich durch die Verzögerung auf die frühe Phase eingestellt werden. Der Einspritzbe ginnwinkel Is wird aus einer Einspritzzeitpunkttabelle 42 abgeleitet. Der Einspritzbeginnwinkel Is wird unmittelbar vor dem Beginn des Schließvorgangs des Drehschiebers 18 bestimmt, wie Fig. 9b zeigt, und wird entsprechend der Maschinendrehzahl N vorverstellt. Einspritzzeitpunktsignale von den Teilen 40 und 41 werden dem Einspritzer 6 über den Treiber 29 zugeführt.

Der Betrieb des Systems wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 10 und 11 erläutert.

Wenn im Betrieb der Kolben 3 beim Verbrennungs- und Aus laßhub nach unten geht, öffnet der Drehschieber 18 (Fig. 8c). Wenn der Auslaßkanal 8 öffnet, wird ein Teil der Ver brennungsrestgase aufgrund des Drucks im Zylinder 2 ausge spült. Mit dem Öffnen des Spülkanals 9 wird von der Pumpe 31 Frischluft, deren Menge von der Lage des Fahrpedals 35 abhängt, zugeführt. Ein Teil der Luft wird zur Einlaßseite der Spülpumpe 31 über das Steuerventil 33 und den Bypass 34 rückgeleitet, so daß die Luft zum Spülen in den Zylinder 2 ohne Pumpverluste einströmt.

Wenn der Kolben 3 mit der Aufwärtsbewegung beginnt, die beim Saug- und Verdichtungshub vom UT ausgeht, schließt der Drehschieber 18, so daß das Ausschieben beendet wird. Die Frischluft wird in den Zylinder geladen, und wenn der Spül kanal 9 schließt, beginnt der Verdichtungshub.

In der Steuereinheit 30 wird der Betrieb zur Steuerung des Einspritzzeitpunkts nach Maßgabe des Flußdiagramms von Fig. 10 ausgeführt.

Bei Φ < Φo wird im Niedriglastmodusbestimmungsteil 38 der Niedriglastmodus der Maschine bestimmt. Der Einspritz zeitpunkt wird im Teil 40 eingestellt. Der Öffnungsgrad des Steuerventils 33 und die Spülluftmenge werden konstantge halten, so daß der Wirbel in stabiler Weise ausgebildet wird. Damit wird die Maschinenlast nach Maßgabe der Kraft stoffeinspritzmenge gesteuert.

Nach Fig. 11a wird der Kraftstoff aus dem Einspritzer zu einem vorbestimmten Zeitpunkt vor der Zündung in der spä teren Phase des Verdichtungshubs bei diesen Maschinenbe triebszuständen eingespritzt.

Bei Φ ≧ Φo wird im Hochlastmodusbestimmungsteil 39 der Hochlastmodus der Maschine bestimmt. Der Einspritzzeitpunkt wird im Teil 41 nach Maßgabe der Einspritzzeitpunkttabelle 42 mit der Charakteristik entsprechend Fig. 11b bestimmt. Mit zunehmendem Betätigungsgrad Φ wird die in den Zylin der 2 gedrückte Frischluftmenge mit dem Schließen des Steu erventils 33 erhöht. Somit wird die Maschinenlast mit der Gemischmenge gesteuert. Dabei werden Ausgangssignale des Einspritzbeginnwinkels Is und der Einspritzimpulsdauer Ti dem Einspritzer 6 vor dem Schließen des Drehschiebers 18 zugeführt. Nach Fig. 11b wird der Kraftstoff unmittelbar vor dem Schließen des Drehschiebers 18 eingespritzt, und der Sprühstrahl wird im Zylinder in alle Richtungen ver teilt.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf eine Zweitaktmaschine erläutert, sie kann aber auch bei einer Viertaktmaschine angewandt werden.

Gemäß der Erfindung sind der Einspritzer und der Elektro denabstand der Zündkerze auf der Achse des Zylinders in einer vorbestimmten Entfernung angeordnet, so daß eine Ladungsschichtung erhalten wird. Der Kraftstoff wird im Schichtenverbrennungsmodus in wirksamer Weise verbrannt, ohne daß er am Kolbenoberende und an der Zylinderwand ver spritzt wird. Der Einfluß von Taktänderungen wird vermie den, so daß innerhalb eines weiten Betriebsbereichs der Maschine eine stabile Verbrennung erzielt wird.

Da durch mageres Gemisch und Verbrennungsgasreste auftre tende Zündaussetzer verhindert werden, wird der Verbren nungswirkungsgrad in allen Betriebszuständen der Maschine verbessert, wodurch das Fahrverhalten, der Kraftstoffver brauch und der Schadstoffausstoß verbessert werden.

Die Schichtenverbrennung geht automatisch in die homogene Gemischverbrennung über, so daß eine hohe Maschinenleistung erzielt wird.

Die Schichtenladung wird entsprechend den Sprühcharakteri stiken, dem Zeitpunkt und der Dauer der Einspritzung rich tig gesteuert. Bevorzugt wird der Kraftstoff bei niedriger Geschwindigkeit und richtiger Verteilung des Sprühstrahls gezündet.

Da der Einspritzer und der Elektrodenabstand der Zündkerze am Oberende des Brennraums angeordnet sind, wird der Ver brennungswirkungsgrad verbessert.

Claims

1. Einspritzzeitpunktsteuersystem für eine Brennkraftma schine mit einem Zylinder, einem Einspritzer zur Direkt einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder und einer Zünd kerze, dadurch gekennzeichnet,
daß der Einspritzer (6) nahe einer Achse des Zylinders angeordnet ist;
daß die Zündkerze (7) so angeordnet ist, daß ihr Elek trodenabstand (7a) die Achse umgebend positioniert ist und eine vorbestimmte Entfernung (1) vom Einspritzer (6) hat, um den daraus eingespritzten Kraftstoff zu zünden;
daß eine erste Einstelleinrichtung vorgesehen ist, die einen Einspritzendewinkel (Ie) so einstellt, daß der Zünd zeitpunkt nach Maßgabe der Ankunftszeit eines Kraftstoff sprühstrahls am Elektrodenabstand (7a) vorverstellt ist; und
daß eine zweite Einstelleinrichtung vorgesehen ist, die einen Einspritzbeginnwinkel (Is) in bezug auf den Ein spritzendewinkel (Ie) nach Maßgabe einer Kraftstoffmenge einstellt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzer den Kraftstoff in Konusform ein spritzt.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankunftszeit nach Maßgabe der Entfernung (1) und der Geschwindigkeit des Kraftstoffsprühstrahls bestimmt ist.