DE69120126T2

DE69120126T2 - Brennkraftmaschine mit mehreren Zündvorrichtungen

Info

Publication number: DE69120126T2
Application number: DE69120126T
Authority: DE
Inventors: Shigeo C O Mazda Motor Horita; Hiroyasu C O Mazda Moto Uchida; Hiroyuki C O Mazda Mo Yamamoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: EP0449308A1; US5261367A; US5408968A; JP3105235B2; EP0449308B1; DE69120126D1; JPH04183925A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor, insbesondere einen Motor, der sich für Magerverbrennung eignet und zu einer Kraftstoffeinsparnis führt, wobei in den Abgasen Schadstoffe, vor allem HC und NOx, vermieden werden.
Bei Motoren mit Fremdzündung, beispielsweise Benzinmotoren, gilt es als ideal, die Funkenstrecken der Zündkerzen, d. h. die Zündquellen, in der Mitte des Brennraums zu positionieren. Mit anderen Worten, die Zündkerzen sollten so angeordnet sein, daß der Weg der Flammen von den Zündkerzen zur Wand des Brennraums in Radialrichtung des Zylinders gleich lang ist.
Insbesondere in letzter Zeit wird jedoch ein geringerer Kraftstoffverbrauch bzw. eine merklich bessere Kilometerleistung verlangt. Angesichts dessen wird ein Gemisch mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das bedeutend größer als ein stöchiometrisches Luft- Kraftstoff-Verhältnis ist, d. h. eine Magerverbrennung, in Betracht gezogen. Bei der Magerverbrennung kann es jedoch zu Problemen bei der Zündung und der Verbrennungsgeschwindigkeit kommen, was eine instabile Verbrennung nach sich zieht.
Aufgrund dieses Sachverhalts wurde, wie in der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. 57-148 021 (kokai) beschrieben, vorgeschlagen, durch Anordnung mehrerer Zündquellen in einem Brennraum, d. h. durch sogenannte Mehrpunktzündung, eine schnelle Verbrennung herbeizuführen. Für eine schnelle Verbrennung werden die Zündquellen natürlich so angeordnet, daß der Abstand zwischen ihnen möglichst klein und gleich groß ist, d. h. daß der Abstand von jedem Punkt der Verbrennung zur nähesten Zündquelle so gut wie möglich übereinstimmt.
Es sei jedoch angemerkt, daß durch schnelle Verbrennung der Spitzenwert der Wärmeerzeugung (der Spitzenwert des Brennwerts pro Zeiteinheit) so hoch wird, daß NOx eher zunimmt, was der ursprünglichen Absicht, NOx durch ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch zu reduzieren, entgegensteht. Zur Verringerung dieses NOx wäre ein noch magereres Luft-Kraftstoff-Gemisch erforderlich, was aber zu dem weiteren Problem führt, daß HC sehr stark ansteigt. Daher beschränkt sich der Leistungsbereich für die Magerverbrennung in der Praxis auf einen sehr kleinen Spielraum, was für die praktische Anwendung der Magerverbrennung ein großes Hindernis darstellt.
JP-A-59 180 067 beschreibt die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1, insbesondere eine Zündquelle, die eine zentrale und mehrere äußere Zündquellen umfaßt.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, einen Motor zu schaffen, mit dem sich NOx und HC reduzieren lassen und eine Magerverbrennung ausführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst, wobei in den abhängigen Ansprüchen der Erfindungsgedanke weiterentwickelt wird.
Durch diese Erfindung wird ein Motor geschaffen, bei dem eine Zündquelle zum Zünden von Kraftstoff eine im wesentlichen mittig an einem Brennraum angebrachte zentrale Zündquelle und mehrere äußere Zündquellen, die um einen Endabschnitt des Brennraums herum mit Abstand angeordnet sind, umfaßt, wobei die äußeren Zündquellen so angeordnet sind, daß die von ihnen erzeugten Flammen sich in Richtung der Zylinderwand eher als in Richtung der Zylindermitte vereinen, wenn die Zündung ausschließlich durch die äußeren Zündquellen erfolgt, und daß eine Schalteinrichtung so ausgebildet ist, daß sie gemäß einem Betriebszustand des Motors einen ersten Zündungsmodus, in dem die Zündung ausschließlich durch die äußeren Zündquellen erfolgt, oder einen zweiten Zündungsmodus, in dem die Zündung mindestens durch die zentrale Zündquelle erfolgt, herbeiführt.
Für eine solche Verbrennung ist eine ringförmige Zündquelle ideal, die sich über die gesamte Länge des Zylinders erstreckt. Da in diesem Fall zum Zünden extrem viel Energie benötigt wird, werden hier die in der praktischen Anwendung üblichen, herkömmlichen Zündkerzen verwendet, wobei an einem Ende des Zylinders um den Brennraum herum in bestimmten Abständen mehrere Zündquellen angeordnet werden. Bei dieser Anordnung der Zündkerzen treffen die an den Zündquellen entstehenden Flammen auf ihrem Weg entlang der Zylinderwand aufeinander und vereinigen sich danach in der Mitte des Brennraums.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verläuft die Verbrennung wesentlich langsamer als bei der schnellen Verbrennung, wobei die Wärmeerzeugung während der Brenndauer sehr gleichmäßig wird. Insbesondere geht die Verbrennung in ihrer Anfangsphase schneller vor sich, doch der Spitzenwert der Wärmeerzeugung bleibt klein (es erfolgt eine gleichmäßige Wärmeerzeugung während der Brenndauer). Durch diesen geringen Spitzenwert wird die Enstehung von NOx verringert. Außerdem beginnt die Verbrennung am äußeren Rand des Brennraums, so daß die Menge des Luftgemischs, das sich in einem ringförmigen Raum zwischen dem oberen Teil des Kolbens und dem Zylinder befindet und nicht an der Verbrennung beteiligt ist, und somit die Menge an HC bedeutend verringert wird. Natürlich läßt sich durch die vorliegende Erfindung die Zündung verbessern, was für die Mehrpunktzündung vorteilhaft ist.
Wie oben beschrieben, wird durch die vorliegende Erfindung die Entstehung von NOx und HC unterdrückt und der Bereich für die Magerverbrennung vergrößert, was zu einem wesentlich geringeren Kraftstoffverbrauch bzw. zu einer merklich besseren Kilometerleistung beiträgt.
Bei Anordnung der Zündquellen am Rand des Zylinders lassen sich durch Vorgabe der Winkelabstände zwischen den Zündquellen, der Anzahl der Zündquellen und des Abstands zwischen den Zündquellen und der Brennraumwand die obengenannten Verbrennungsmodi herbeiführen.
Grundsätzlich wird die Anordnung der Zündquellen in Abhängigkeit von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen bestimmt. Die Abstände zwischen den Zündquellen, die Anzahl der Zündquellen und der Abstand zwischen den Zündquellen und der Brennraumwand werden bestimmt gemäß verschiedener, auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen einwirkender Faktoren, wie z. B. ungleichmäßiger Verteilung des Luftgemischs im Brennraum, Stärke der Verwirbelung der Ansaugluft, Form des Brennraums, Temperatur der Brennraumwand, Menge und Verteilung von Brennrückständen etc. Die Anordnung der Zündkerzen richtet sich nach dem jeweiligen Motor. Natürlich sollte diese Anordnung so erfolgen, daß die Anzahl der Zündquellen möglichst gering ist.
Insbesondere sollten die Winkelabstände zwischen den Zündquellen umso länger sein, je höher die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen ist. Dabei verringern sich dann auch die Anzahl der Zündquellen und der Abstand zwischen den Zündquellen und der Brennraumwand. Dabei ist jedoch anzumerken, daß sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen zwar mit zunehmender Stärke der Verwirbelung der Ansaugluft erhöht, daß aber durch eine zu starke Verwirbelung die Flamme gelöscht werden kann, was bei der Bestimmung des Abstands zwischen den Zündquellen und der Brennraumwand berücksichtigt werden sollte. Dagegen bewirkt eine zu schwache Verwirbelung, daß der Zündvorgang beeinträchtigt wird oder durch die kühlende Wirkung der Brennraumwand die Flamme ausgeht, was ebenfalls bei der Bestimmung des Abstands zwischen den Zündquellen und der Brennraumwand zu berücksichtigen ist. Hinsichtlich einer guten Verbrennung sollte die Zündquelle so am äußeren Rand des Brennraums angebracht werden, daß sie sich an einer Stelle befindet, an der das Luft-Kraftstoff-Gemisch am fettesten ist.
Es wird bevorzugt, daß die Winkelabstände zwischen den Zündquellen, die Anzahl der Zündquellen und der Abstand zwischen den Zündquellen und der Brennraumwand in Hinsicht auf eine gute Entflammung und eine hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme bestimmt werden. Insbesondere wird bevorzugt, daß die Temperatur der Brennraumwand und die diese stark beeinflussende Form des Brennraums sowie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs (bezogen auf den gesamten Brennraum) berücksichtigt werden, da diese die Entflammbarkeit stark beeinflussen.
Weiterhin wird bevorzugt, daß die Winkelabstände zwischen den Zündquellen umso kürzer und die Anzahl der Zündquellen und der Abstand zwischen den Zündquellen und der Brennraumwand umso größer vorgegeben werden, je geringer die Temperatur der Brennraumwand ist, so daß deren kühlende Wirkung ausgeglichen wird.
Weitere bevorzugte Modi und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung von Beispielen hervor, die im folgenden gegeben werden.
Fig. 1 zeigt eine Schnitt-Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht zur Darstellung der räumlichen Beziehungen zwischen den Auslaßventilen und den Zündkerzen.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer an der Oberseite des Kolbens gebildeten Erhebung.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht, in der dargestellt ist, wie die zweite und die dritte Zündkerze benachbarter Zylinder zueinander schrägstehen.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht zur Darstellung der räumlichen Beziehung zwischen der ersten äußeren Zündkerze und der an der Oberseite des Kolbens gebildeten Erhebung.
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht zur Darstellung der räumlichen Beziehungen zwischen der ersten und dritten äußeren Zündkerze und der an der Oberseite des Kolbens gebildeten Erhebung.
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen jeweils eine Ansicht zur Darstellung eines Beispiels für die Vorgabe von Arbeitsbereichen für die zentralen und die äußeren Zündkerzen.
Fig. 9 und Fig. 10 beziehen sich auf eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, wobei Fig. 9 eine Draufsicht auf den Kolben und Fig. 10 eine schematische Schnitt-Seitenansicht des Brennraums mit dem darin befindlichen Kolben von Fig. 9 zeigt.
Fig. 11 zeigt eine Fig. 9 entsprechende Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Ausführung.
Fig. 12 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Wirkung der an der Oberseite des Kolbens gebildeten ringförmigen Erhebung.
Fig. 13 und Fig. 14 zeigen jeweils ein Beispiel dafür, wie der Zündzeitpunkt für die äußeren Zündkerzen verstellt wird.
Fig. 15 bis Fig. 22 zeigen Ansichten zur Darstellung der Anordnung der äußeren Zündkerzen in Abhängigkeit von der Verteilung des Gemischs und Brennrückständen in der Brennkammer, der Temperaturunterschiede an der Brennraumwand, der unterschiedlichen Stärke der Verwirbelung etc.
Fig. 23 zeigt einen Zündungs-Schaltplan zur Veränderung der Zündungsenergie.
Fig. 24 bis Fig. 38 zeigen bevorzugte Modi gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 39 bis Fig. 54 zeigen Ansichten für die Beschreibung der Phasendifferenz zwischen den Zündzeitpunkten für die äußeren Zündkerzen.
Fig. 55 und Fig. 56 zeigen Ansichten für die Beschreibung beispielhafter Steuerungen zur Verhinderung eines Anstiegs von NOx infolge von Änderungen des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses und zur Unterdrückung des Drehmomentrucks.
Fig. 57 und Fig. 58 zeigen Ansichten für die Beschreibung einer unterteilten Kraftstoffeinspritzung.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt, bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Zylinderkopf. Ein im Inneren des Zylinderkopfs 1 gebildeter Brennraum 2 weist eine Abdachung auf. Der Zylinderkopf 1 weist eine erste Einlaßöffnung 3A und eine zweite Einlaßöffnung 3B sowie eine erste Auslaßöffnung 4A und eine zweite Auslaßöffnung 4B auf, die mit dem Brennraum 2 räumlich verbunden sind. Die erste Einlaßöffnung 3A wird synchron zur Drehung einer Kurbelwelle, die in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt durch ein erstes Lufteinlaßventil 5A geöffnet oder geschlossen. Auch die zweite Einlaßöffnung 3B wird synchron zur Drehung der Kurbelwelle zu einem vorgegebenen Zeitpunkt durch ein zweites Lufteinlaßventil 5B geöffnet oder geschlossen. Die erste Auslaßöffnung 4A wird synchron zur Drehung der Kurbelwelle zu einem vorgegebenen Zeitpunkt durch ein erstes Auslaßventil 6A geöffnet oder geschlossen, und die zweite Auslaßöffnung 4B wird auf gleiche Weise durch ein zweites Auslaßventil 6B geöffnet oder geschlossen. In die beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B wird mittels eines Kraftstoffeinspritzventils 6 Kraftstoff so eingespritzt, daß er sich mit einem vorgegebenen Winkel ausdehnt.
Der Zylinderkopf 1 ist mit insgesamt vier Zündkerzen 7, 8, 9 und 10 ausgestattet, die von oben am Zylinderkopf 1 entfernbar angebracht sind. Von den vier Zündkerzen 7, 8, 9 und 10 ist die Zündkerze 7 die zentrale, wobei sich eine als Zündquelle dienende Funkenstrekke 7a an einer mittleren Position des Brennraums 2 befindet. Die zentrale Zündkerze 7a ist so angeordnet, daß sie zur Zylinderachse etwas geneigt und somit ihr oberer Teil zu den Auslaßöffnungen 4A und 4B gerichtet ist.
Die übrigen drei Zündkerzen 8, 9 und 10 dienen als erste, zweite und dritte äußere Zündkerze. Insbesondere sind die Zündkerzen 8, 9 und 10 in im wesentlichen gleich großen Winkelabständen angeordnet, wobei sich als Zündquellen dienende Funkenstrecken 8a, 9a und 10a an äußeren Randabschnitten des Zylinders befinden. Die Anordnung der äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 und der zugehörigen Funkenstrecken 8a, 9a und 10a wird im folgenden beschrieben.
Die Funkenstrecke 8a der ersten äußeren Zündkerze 8 ist zwischen den beiden Lufteinlaßventilen 5A und 5B angeordnet, wobei die erste äußere Zündkerze 8 in einer Trennwand 1a sitzt, die die beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B begrenzt. Die erste Zündkerze 8 ist zu den Auslaßventilen 6A und 6B hin geneigt.
Die Funkenstrecke 9a der zweiten äußeren Zündkerze 9 ist zwischen dem ersten Lufteinlaßventil 5A und dem ersten Auslaßventil 6A so angeordnet, daß sie sich in Umfangsrichtung des Zylinders (im Uhrzeigersinn in Fig. 2) näher am ersten Auslaßventil 6A befindet. Die zweite äußere Zündkerze 9 ist im wesentlichen parallel zur Zylinderachse angeordnet.
Die Funkenstrecke 10a der dritten äußeren Zündkerze 10 ist zwischen dem zweiten Lufteinlaßventil 5B und dem zweiten Auslaßventil 6B so angeordnet, daß sie sich in Umfangsrichtung des Zylinders (entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig. 2) näher am zweiten Auslaßventil 6B befindet. Die dritte äußere Zündkerze 10 ist so angebracht, daß sie im wesentlichen zu den beiden Lufteinlaßventilen 5A und 5B hin geneigt ist.
Es ist anzumerken, daß die äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 selbstverstandlich so angeordnet sind, daß beim Zünden der äußeren Zündkerzen die an den äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 entstehendeN Flammen sich in der Mitte des Brennraums vereinen, nachdem sie in Umfangsrichtung des Zylinders aufeinandergetroffen sind.
Die Betätigung (das Zünden) der zentralen Zündkerze 7 und der äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 muß gemäß dem Betriebszustand des Motors gesteuert werden. Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die Vorgabe von verschiedenen Zündbereichen. Wie in Fig. 7 gezeigt, bezeichnet das Symbol I einen Bereich, in dem nur die äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 zünden. Das Symbol II bezeichnet einen Bereich, in dem nur die zentrale Zündkerze 7 zündet, und das Symbol III einen Bereich, in dem alle Zündkerzen 7, 8, 9 und 10 zünden und somit eine Außen- und Zentralzündung erfolgt. Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel für die Vorgabe von verschiedenen Zündbereichen. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist der Bereich II von Fig. 7 in Bereiche II und IV unterteilt, wobei sich im Bereich II nichts ändert und der Bereich IV für schnelle Langstreckenfahrt vorgesehen ist, bei der nur Außenzündung erfolgt. Für die übrigen Bereiche I und III gilt das Obengesagte.
Im folgenden wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen, in der die Bezugszahlen 11A, 11B und 11C Kühlwasserleitungen bezeichnen. Durch die Schrägstellung der zentralen Zündkerze 7 und der ersten äußeren Zündkerze 8 ist gewährleistet, daß zwischen den Zündkerzen 7 und 8 für die Kühlwasserleitung 11A genügend Raum vorhanden ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, läßt sich außerdem zwischen benachbarten Zylindern eine ausreichend große Kühlwasserleitung 12 bilden, da die äußeren Zündkerzen 8 und 8 zueinander schrägstehen. Die Pfeile in Fig. 4 geben die Richtung an, in der das Kühlwasser fließt.
Auf einem im Zylinderblock 17 eingesetzten Kolben 13 ist eine ringförmige Erhebung 14 gebildet. Die Oberseite dieser Erhebung 14 ist so ausgebildet, daß sie mit der Form des dachförmigen Teils des Brennraums (der Innenseite des Zylinderkopfs 1) übereinstimmt. Durch diese Erhebung 14 wird verhindert, daß die an den äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 entstehenden Flammen sich zur Mitte des Brennraums 2 richten (die Flammenoberfläche kann sich also nicht in den Brennraum 2 hinein ausdehnen). Durch die ringförmige Ausbildung der Erhebung 14 wird außerdem verhindert, daß der Großteil des Gemischs in einer frühen Phase der Verbrennung verbrannt wird, da viel Gemisch in der Nähe der Mitte des Brennraums 2 verbleibt und somit nach der Spitzenphase, in der sich die Flammen am weitesten ausdehnen, noch genügend viel Gemisch zur Verbrennung vorhanden ist, was zur langsamen Verbrennung beiträgt.
Bei Ausbildung der Erhebung 14 in Übereinstimmung mit dem dachförmigen Teils des Brennraums 2, wie oben beschrieben, wird bevorzugt, daß die Positionen der Funkenstrekken 8a, 9a und 10a der äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 in bezug auf die Senkrechte wie im folgenden beschrieben vorgegeben werden. Insbesondere wird, wie in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt, eine Anbringung der Funkenstrecke 8a der ersten äußeren Zündkerze 8 bevorzugt, bei der sich diese auf gleicher Höhe mit den Funkenstrecken 9a und 10a der Zündkerzen 9 und 10 befindet (um zu bewirken, daß sich die Flammen zur Mitte des Brennraums 2 hin nicht weit ausdehnen). Zu diesem Zweck werden bei dieser Ausführung unter Berücksichtigung der Höhe der ersten äußeren Zündkerze 8 die äußeren Zündkerzen 9 und 10 in der Höhe so angeordnet, daß sich die Funkenstrecken 9a und 10a unterhalb der Positionen befinden, an denen die Auslaßventile 6A und 6B im Zylinderkopf sitzen (In Fig. 6 bezeichnet die Bezugszahl 1b die Höhe, in der die Auslaßventile 6A und 6B sitzen.).
Im folgenden wird wirder auf Fig. 2 Bezug genommen. Es wird bevorzugt, daß die äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 in gleichem Abstand zueinander angeordnet werden. Bei dieser Ausführung werden sie jedoch etwas anders angeordnet. Wenn der Abstand zwischen der ersten äußeren Zündkerze 8 und der zweiten äußeren Zündkerze 9 als (a), der Abstand zwischen der zweiten äußeren Zündkerze 9 und der dritten äußeren Zündkerze 10 als (b) und der Abstand zwischen der ersten äußeren Zündkerze 8 und der dritten äußeren Zündkerze 10 als (c) bezeichnet wird, gilt folgende Beziehung: a < c < b. Hier sei angemerkt, daß die Ausdehnung der Flammenoberfläche in Umfangsrichtung im Abschnitt b, der am größten ist, verzögert ist. Daher wird bei dieser Ausführung folgende Konstruktion gewählt. Die zweite Zündkerze 9 und die dritte Zündkerze 10 (bzw. ihre Funkenstrecken 9a und 10a) werden in einem im Zylinderkopf 1 gebildeten konkaven Abschnitt 15 so angeordnet, daß der Abstand zwischen dem konkaven Abschnitt 15 und der zweiten äußeren Zündkerze 9 bzw. der dritten äußeren Zündkerze 10 in Richtung b (bei Symbol X) größer ist als in der entgegengesetzten Richtung (bei Symbol Y).
Bisher wurde der grundsätzlich Aufbau der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es folgt eine Beschreibung weiterer erfindungsgemäßer Ausführungen sowie eine Ergänzung zur obigen Beschreibung.
Fig. 9 und Fig. 10 zeigen eine weitere Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführung ist die Innenwand des Zylinderkopfs 1, d. h. die obere Wand des Brennraums 2, gerade. Auf der Oberseite des Kolbens 13 ist eine zum Zylinder koaxiale ringförmige Erhebung 14B gebildet.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführung gleicht eine ringförmige Erhebung 14C derjenigen von Fig. 9 und Fig. 10. Diese ist aber in Richtung auf die Lufteinlaßventile 5A und 5B (die erste äußere Zündkerze 8) versetzt. Dadurch kommt die Wirkung der Erhebung 14C, die Ausbreitung der Flamme zur Mitte des Brennraums 2 hin zu verhindern, auf der Einlaßseite mehr zur Geltung als auf der Auslaßseite, womit berücksichtigt ist, daß die Konzentration des Gemischs an den Lufteinlaßventilen 5A und 5B höher ist als an den Auslaßventilen 6A und 6B, d. h. daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme auf der Einlaßseite höher ist als auf der Auslaßseite.
Fig. 12 stellt die Wirkung der vorliegenden Erfindung dar, wofür das Verhältnis zwischen Gesamtoberfläche der im Brennraum 2 gezündeten Flamme und dem Massenverbrennungsgrad herangezogen wird. In Fig. 12 bezieht sich "Erfindung" auf die in Fig. 9 und Fig. 10 gezeigte Konstruktion bei ausschließlicher Zündung durch die äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10. Vergleich 1 bezieht sich auf eine Ausführung, bei der die Erhebung 14B von Fig. 9 und Fig. 10 zylindrisch (d. h. mit einem massiven inneren Teil) gebildet ist und die Zündung nur durch die äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 erfolgt. Vergleich 2 bezieht sich auf eine Ausführung, bei der die in Fig. 9 und Fig. 10 gezeigte Konstruktion so modifiziert ist, daß die Erhebung 14B fehlt und die Zündung nur durch die zentrale Zündkerze 7 erfolgt. Wie aus Fig. 12 hervorgeht, wird bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Anteil an Kraftsstoff, der nach dem Spitzenwert der Flammenoberfläche verbrennt, bedeutend gesteigert (d. h. der Anteil des in der Anfangsphase der Verbrennung verbrannten Kraftstoffs wird geringer.
Fig. 13 und Fig. 14 zeigen ein Beispiel, bei dem der Zündzeitpunkt der äußeren Zündkerzen 9 und 10, die sich auf der Auslaßseite befinden, vor demjenigen der äußeren Zündkerze 8, die sich auf der Einlaßseite befinden, liegt.
In Fig. 13 bezeichnet das Bezugssymbol U eine Steuereinheit zur Einstellung des Zündzeitpunkts und zum Umschalten zwischen Zündungsbereichen gemäß Fig. 7 oder Fig. 8. Die Steuereinheit U erhält von einem Sensor 21 ein Signal, das die Motordrehzahl angibt, und von einem Sensor 22 ein Signal, das die Motorbelastung (z. B. die Menge der Ansaugluft) angibt. Die Signale der Steuereinheit U, die die Zündzeitpunkte vorgeben, werden Zündern 31, 32 und 33 zugeführt. Der Zünder 31 ist für eine Zündspule 41 für die zentrale Zündkerze 7 zuständig, der Zünder 32 ist für eine Zündspule 42 für die erste äußere Zündkerze 8 auf der Lufteinlaßseite zuständig, und der Zünder 33 ist für eine Zündspule 43 für die beiden äußeren Zündkerzen 9 und 10 auf der Auslaßseite zuständig.
Das Signal für den Zündzeitpunkt, das von der Steuereinheit U dem Zünder 33 zugeführt wird, liegt in bezug auf den Kurbelwinkel um einen vorgegebenen Wert vor dem Signal für den Zündzeitpunkt für den Zünder 32. Insbesondere liegt der Zeitpunkt, zu dem der Primärstrom für die Zündspule 43 der Zündkerzen auf der Auslaßseite ausgeschaltet wird, (der Zündungsbeginn) um einen Kurbelwinkel α vor dem Zeitpunkt, zu dem der Primärstrom für die Zündspule 42 der Zündkerze auf der Einlaßseite ausgeschaltet wird, wie in Fig. 6 gezeigt.
Wenn die Anzahl der äußeren Funkenstrecken auf der Auslaßseite größer ist als die Anzahl der äußeren Funkenstrecken auf der Einlaßseite, wie in Fig. 2 gezeigt, können die Zündzeitpunkte von dem in Fig. 13 und Fig. 14 gezeigten Fall abweichen. Dies kann auch dann der Fall sein, wenn die Anzahl der äußeren Funkenstrecken auf auf der Einlaßseite und der Auslaßseite gleich groß ist.
Fig. 15 bis Fig. 22 zeigen, wie die äußeren Funkenstrecken, z. B. hinsichtlich einer ungleichen Verteilung des Gemischs im Brennraum 2, angeordnet werden. Die Ansicht von Fig. 15 entspricht derjenigen von Fig. 2.
Wenn das Gemisch im wesentlichen gleichmäßig in Umfangsrichtung des Zylinders verteilt ist oder die Konzentration der Brennrückstände in Umfangsrichtung des Zylinders im wesentlichen gleichmäßig ist, werden die durch Sa; Sb und Sc wiedergegebenen Winkelabstände zwischen den äußeren Zündkerzen 8 und 9 (ihren Funkenstrecken) so vorgegeben, daß sie im wesentlichen gleich groß sind und auch die Abstände 1a, 1b und 1c zwischen den Funkenstrecken und der Brennraumwand im wesentlichen gleich groß sind.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch in Umfangsrichtung des Zylinders unterschiedlich fett ist, kann, wie in Fig. 15 gezeigt, der Fall eintreten, daß ein Bereich in der Nähe der beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B fett ist und ein Bereich in der Nähe der beiden Auslaßöffnungen 4A und 4B mager ist. In diesem Fall sollte mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt werden: die Winkelabstände zwischen den äußeren Zündkerzen 8 und 9 sollten dem Verhältnis Sa < Sb, Sc genügen, oder die Abstände zwischen den Funkenstrecken und der Brennraumwand sollten dem Verhältnis 1a < 1b, 1c genügen, oder die Anzahl der Zündkerzen in den mageren Bereichen B und C sollte höher sein als im fetten Bereich A, wie in Fig. 15 gezeigt. Wie aus Fig. 20, die die Beziehung zwischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und Verbrennungsgeschwindigkeit zeigt, hervorgeht, ist die Verbrennungsgeschwindigkeit in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses am höchsten. Wenn die Konzentration der Brennrückstände in Umfangsrichtung des Zylinders unterschiedlich hoch ist, kann, wie in Fig. 15 gezeigt, der Fall eintreten, daß sie in der Nähe der beiden Auslaßöffnungen 4A und 4B höher ist als in anderen Bereichen: In diesem Fall sollte mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt werden: die Winkelabstände zwischen den äußeren Zündkerzen 8 und 9 sollten dem Verhältnis Sa < Sb, Sc genügen, oder die Abstände zwischen den Funkenstrecken und der Brennraumwand sollten dem Verhältnis 1a < 1b, 1c genügen, oder die Anzahl der Zündkerzen in den Bereichen B und C mit höherer Konzentration sollte, wie in Fig. 15 gezeigt, höher sein als im Bereich A, der eine niedrigere Konzentration aufweist.
Wenn die Verwirbelung der Ansaugluft in Umfangsrichtung des Zylinders unterschiedlich stark ist, kann die Verwirbelung in der Nähe der beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B stärker sein als in der Nähe der heiden Auslaßöffnungen 4A und 4B, wie in Fig. 15 gezeigt. In diesem Fall sollte mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt werden: die Winkelabstände zwischen den äußeren Zündkerzen 8 und 9 sollten dem Verhältnis Sa < Sb, Sc genügen, oder die Abstände zwischen den Funkenstrecken und der Brennraumwand sollten dem Verhältnis 1a > 1b, 1c genügen, oder die Anzahl der Zündkerzen in den Bereichen B und C mit schächerer Verwirbelung sollte, wie in Fig. 15 gezeigt, höher sein als im Bereich A, in dem die Verwirbelung stärker ist.
Wenn die Temperatur der Wand des Brennraums in Umfangsrichtung des Zylinders unterschiedlich hoch ist, dann ist sie im Bereich A niedriger als in den Bereichen B und C, wie in Fig. 15 gezeigt. In diesem Fall sollte mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt werden: die Winkelabstände zwischen den äußeren Zündkerzen 8 und 9 sollten dem Verhältnis Sa < Sb, Sc genügen, oder die Abstände zwischen den Funkenstrecken und der Brennraumwand sollten dem Verhältnis 1a > 1b, 1c genügen, oder die Anzahl der Zündkerzen im kühleren Bereich A sollte höher sein als in den wärmeren Bereichen B und C (durch Hinzufügung äußerer Zündkerzen 51 und 52, wie in Fig. 21 gezeigt).
Wenn das Gemisch in Radialrichtung des Zylinders ungleichmäßig verteilt ist und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im mittleren Bereich des Brennraums 2 im wesentlichen stöchiometrisch ist - mit anderen Worten, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis am Rand des Brennraums 2 vom stöchiometrischen nach oben oder unten abweicht - wird mindestens eine der folgenden Vorgehensweisen gewählt: Erhöhung der Anzahl der äußeren Zündkerzen, wie in Fig. 18 gezeigt (wo vier äußere Zündkerzen 51, 52, 53 und 54 vorgesehen sind), Verkürzung der Winkelabstände zwischen den äußeren Zündkerzen oder Vergrößerung des Abstands zwischen den Funkenstrecken und der Brennraumwand. Ist dagegen das Luft-Kraftstoff-Gemisch am Rand des Brennraums 2 im wesentlichen stöchiometrisch, d. h. weicht das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im mittleren Bereich des Brennraums 2 vom stöchiometrischen nach oben oder unten ab, dann wird, anders als im Fall von Fig. 18, mindestens eine der folgenden Vorgehensweisen gewählt Verringerung der Anzahl der äußeren Zündkerzen, wie in Fig. 19 gezeigt, Verlängerung der Winkelabstände zwischen den äußeren Zündkerzen oder Verringerung des Abstands zwischen den Funkenstrecken der äußeren Zündkerzen 8, 9 und 10 und der Brennraumwand.
Wenn die Konzentration der Brennrückstände in Radialrichtung des Zylinders unterschiedlich hoch ist, wenn also z. B. die Konzentration der Brennrückstände im mittleren Bereich des Brennraums höher ist als am Rand des Brennraums, können die äußeren Zündkerzen so angeordnet werden, wie in Fig. 19 gezeigt. Ist dagegen die Konzentration der Brennrückstände am Rand des Brennraums höher als im mittleren Bereich des Brennraums, dann können die äußeren Zündkerzen so wie in Fig. 18 angeordnet werden.
Es ist anzumerken, daß eine ungleichmäßige Verteilung des Gemischs und der Brennrückstände als auch eine unterschiedliche Stärke der Verwirbelung leicht auftreten kann, z. B. wenn, wie in Fig. 17 gezeigt, die Radien und die Ausrichtungen der beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B nicht übereinstimmen. Insbesondere wenn der durch das Bezugssymbol 11 angegebene Raum zwischen der einen Oberseite des Kolbens und der oberen Wand des Brennraums sich in der Größe von dem durch das Bezugssymbol 12 angegebenen Raum zwischen der anderen Oberseite des Kolbens und der oberen Wand des Brennraums unterscheidet, wie in Fig. 16 gezeigt (11 < 12), wird die Verwirbelung im engeren Raum 11 stärker als im weiteren Raum 12. Im engeren Raum 11 ergibt sich außerdem eine geringere Wandtemperatur. Je kleiner die Räume 11 und 12, d. h. je enger der Raum, in dem sich die Flamme vom Rand zur Mitte des Brennraums hin ausdehnt, umso geringer wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme, da die Wand des Brennraums kühlend wirkt. Daher wird bei einem relativ engen Raum mindestens eine der folgenden Vorgehensweisen gewählt: Verkürzung der Winkelabstände zwischen den äußeren Zündkerzen, Vergrößerung der Anzahl der äußeren Zündkerzen oder Verlängerung des Abstands zwischen den Funkenstrecken der äußeren Zündkerzen und der Brennraumwand.
Hier sei angemerkt, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Brennraum zugeführten Gemischs, d. h. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezogen auf den gesamten Brennraum, starke Auswirkungen auf die Entflammbarkeit hat. Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch relativ fett (insbesondere stöchiometrisch) ist, wird mindestens eine der folgenden Vorgehensweisen gewählt: Verringerung der Anzahl der äußeren Zündkerzen, Verlängerung der Winkelabstände zwischen den äußeren Zündkerzen oder Verringerung des Abstands zwischen den Funkenstrecken der äußeren Zündkerzen und der Brennraumwand. Fig. 21 zeigt ein Beispiel für ein ein fettes Gemisch. Fig. 22 zeigt ein Beispiel für ein mageres Gemisch, wobei die äußeren Zündkerzen durch die Bezugszahlen 51 bis 54 bezeichnet sind.
Fig. 23 zeigt, wie bei den äußeren Zündkerzen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme und die Entflammbarkeit durch die Zündungsenergie und die Entladezeit gesteuert wird. Insbesondere zeigen Fig. 2 oder Fig. 15 die Fälle, in denen die äußeren Zündkerzen 9 und 10 in der Nähe der beiden Auslaßöffnungen 4A und 4B, wo die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme niedriger und die Entflammbarkeit geringer ist, eine höhere Zündungsenergie oder eine längere Entladezeit aufweisen als die äußere Zündkerze 8, die sich dort befindet, wo die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme höher und die Entflammbarkeit besser ist. Zu diesem Zweck läßt sich die Charakteristik eines Zündkreises 43 für die äußeren Zündkerzen 9 und 10 und eines Zündkreises 42 für die äußeren Zündkerze 8 ändern, wie z. B. in Fig. 13 gezeigt. Fig. 23 zeigt ein Beispiel für den allgemeinen Aufbau der Zündkreise 41 bis 43, in denen zur Vorgabe der Entladeenenergie der Primärwiderstand R1 und somit der Primärstrom i auf bekannte Weise verändert wird. Außerdem läßt sich die Entladezeit durch Verstellung der Induktanzen L1 und L2 und der Induktanz M zwischen den beiden Spulen ändern.
Fig. 24 bis Fig. 29 zeigen, wie eine durch die äußeren Zündkerzen 8 bis 10 erzeugte Flamme zur gleichmäßigen Ausbreitung gebracht werden kann, wenn die Verbrennungsgeschwindigkeit an den beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B höher ist als an den beiden Auslaßöffnungen 4A und 4B, wie z. B. in Fig. 2 gezeigt. Eine gleichmäßige Ausbreitung der Flamme hat Bedeutung für die Reduzierung des Spitzenwerts (des Maximalwerts) des Wärmeerzeugungsgrads und trägt zur Reduzierung von NOx bei.
Fig. 24 zeigt den Fall, in dem der Überstand der äußeren Zündkerzen 9 und 10, die sich an den beiden Auslaßöffnungen 4A und 4B befinden, größer ist als derjenige der äußeren Zündkerze 8 (und derjenige der zentralen Zündquelle 7).
Fig. 25 zeigt den Fall, in dem die Funkenstrecken der äußeren Zündkerzen 9 und 10 größer sind als diejenige der äußeren Zündkerze 8 (und diejenige der zentralen Zündquelle 7).
Fig. 26 bezieht sich auf den Fall, in dem ein Raum Te zwischen der in Fig. 3 gezeigten ringförmigen Erhebung 14 und der oberen Wand des Brennraums auf der Seite der beiden Auslaßöffnungen 4A und 4B (Auslaßseite) größer ist als ein Raum Ti auf der Seite der beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B (Einlaßseite).
Fig. 27 zeigt den Fall, in dem eine Breite Le der in Fig. 3 gezeigten ringförmigen Erhebung 14 auf der Seite der beiden Auslaßöffnungen 4A und 4B (Auslaßseite) größer ist als eine Breite Li auf der Seite der beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B (Einlaßseite).
Fig. 28 bezieht sich auf den Fall, in dem die in Fig. 3 gezeigte ringförmige Erhebung 14 auf der Seite der beiden Auslaßöffnungen 4A und 4B (Auslaßseite) nicht ausgebildet ist.
Es ist ferner anzumerken, daß eine gleichmäßige Ausbreitung der Flammen dadurch herbeigeführt werden kann, daß die auf der Seite der beiden Auslaßöffnungen 4A und 4B befindlichen äußeren Zündkerzen 9 und 10 mehr zur Brennraummitte hin angeordnet werden als die erste äußere Zündkerze 8.
Fig. 29 zeigt den Fall, in dem der Spitzenwert des Wärmeerzeugungsgrads durch Verringerung der Menge des Gemischs, das vor der Vereinigung der Flammen verbrannt wird, gesenkt wird, was dadurch erfolgt, daß der Raum, der die ringförmige Erhebung 14 umgibt, verkleinert wird. Zu diesem Zweck wird außerhalb der auf der Oberseite des Kolbens 13 gebildeten ringförmigen Erhebung 14 ein Vorsprung 55 gebildet, dessen Form der oberen Wand des Brennraums entspricht. Bei dem in Fig. 29 gezeigten Beispiel wird der Spitzenwert des Wärmeerzeugungsgrads wie zuvor gesenkt; die gleichmäßige Ausbreitung der Flammen wird aber auf andere Weise herbeigeführt.
Fig. 30 bis Fig. 38 zeigen bevorzugte Ausführungen.
Fig. 30 bezieht sich auf den Fall, in dem die Funkenstrecke 8a der ersten äußeren Zündkerze 8 unmittelbar unter den beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B angeordnet ist und der mittels des Kraftstoffeinspritzventils 16 eingespritzte Kraftstoff auf den sich knapp oberhalb der ersten äußeren Zündkerze 8 befindenden unteren Teil der Einlaßöffnungen 3A (3B) auftrifft, was zur Vergasung bzw. Zerstäubung des Kraftstoffs beiträgt.
Fig. 31 und Fig. 32 zeigen den Fall, in dem die äußeren Zündkerzen 8 bis 10 bei halbkugelförmiger Ausbildung des Brennraums 2 in gleicher Höhe angeordnet sind.
Fig. 33 und Fig. 34 beziehen sich auf den Fall, in dem die äußeren Zündkerzen 8 bis 10 bei konischer Ausbildung des Brennraums 2 in gleicher Höhe angeordnet sind.
Fig. 35 zeigt eine Ausführung der äußeren Zündkerzen 8 bis 10, bei der ein Anschluß 57a mit einer Außenelektrode 57 und ein Anschluß 58a mit einer Innenelektrode 58 der Zündkerze verbunden ist. Aufgrund der Anordnung der Anschlüsse 57a und 57b können die äußeren Zündkerzen 8 bis 10 in Reihe geschaltet werden, wodurch sich die Anzahl der Zündspulen verringert.
Fig. 36 bezieht sich auf den Fall, in dem die zentrale Zündkerze 7, die am stärksten der thermischen Belastung ausgesetzt ist, größer ist als die äußeren Zündkerzen 8 bis 10 und einen höheren Wärmewert als diese aufweist.
Fig. 37 zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Zündkerzen bei einem sogenannten Dreiventilmotor, welcher die beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B und eine Auslaßöffnung 4 aufweist.
Fig. 38 bezieht sich auf ein Beispiel für die Anordnung der äußeren Zündkerzen 8 bis 10, bei dem die beiden Einlaßöffnungen 3A und 3B gegenüber dem Beispiel von Fig. 2 so versetzt sind, daß die äußeren Zündkerzen 8 bis 10 an günstigere Positionen gelangen.
Fig. 39 bis Fig. 58 beziehen sich auf Beispiele, bei denen, z. B. durch eine Phasendifferenz bei den Zündzeitpunkten der äußeren Zündkerzen, eine gleichmäßige Ausbreitung der Flamme herbeigeführt wird und die Zündungssteuerung während des Übergangs von magerem Gemisch zu fettem Gemisch (mit stöchiometrischem -Kraftstoff-Verhältnis) ausgeführt wird. Dieser Übergang tritt bei steigender Motorbelastung ein.
Fig. 39 und Fig. 40 zeigen eine Ausführung der Konstruktion in der Nähe des Brennraums des Motors, wie sie für die vorliegende Erfindung verwendet wird. Bei dieser Ausführung gleicht die Konstruktion insofern, als zwei Einlaßöffnungen 3A und 3B und zwei Auslaßöffnungen 4A und 4B vorgesehen sind, derjenigen von Fig. 2, unterscheidet sich davon aber dadurch, daß insgesamt sechs äußere Zündkerzen 60 vorhanden sind. Diese Zündkerzen sind zur Unterscheidung mit einem Suffix i (i = 1 bis 6) versehen.
Eine gemeinsame Lufteinlaßleitung 61, über die die erste Einlaßöffnung 3A mit der zweiten Einlaßöffnung 3B verbunden ist, weist eine Verwirbelungseinstellklappe 62 auf. Eine Zusatz-Lufteinlaßleitung 64 zweigt von der gemeinsamen Lufteinlaßleitung 61 unmittelbar vor der Verwirbelungseinstellklappe 62 ab (umgeht diese also) und führt zur Einlaßöffnung 3A. Die Öffnung der Zusatz-Lufteinlaßleitung 64 ist kleiner und weist in Richtung einer Tangente des Zylinders, wodurch eine Verwirbelung der Ansaugluft herbeigeführt wird. Bei dieser Anordnung wird bei geöffneter Verwirbelungseinstellklappe 62 fast die ganze Ansaugluft über die Einlaßöffnungen 3A und 3B zugeführt, was zu einem Verwirbelungsgrad von annähernd Null führt. Dabei ist zu bemerken, daß die Menge der Ansaugluft, die über die Zusatz-Lufteinlaßleitung 64 zugeführt wird, umso größer ist, je kleiner der Öffnungswinkel der Verwirbelungseinstellklappe 62 ist, so daß der maximale Verwirbelungsgrad bei geschlossener Verwirbelungseinstellklappe 62 erreicht wird.
Fig. 42 zeigt, in welchen Betriebsbereichen die zentrale Zündkerze 7 und die äußeren Zündkerzen 60 betätigt werden. Anders als im in Fig. 8 gezeigten Fall, wird in einem Bereich sehr geringer Belastung sowohl mit der zentralen Zündkerze 7 als auch mit den äußeren Zündkerzen 60 gezündet. Dabei wird sowohl in diesem Bereich als auch in einem Betriebsbereich, in dem nur Außenzündung erfolgt, eine Verwirbelung herbeigeführt. Dagegen wird einem Betriebsbereich mit hoher Belastung, in dem Außen- und Zentralzündung erfolgt, keine Verwirbelung herbeigeführt (Steuerung der Verwirbelungseinstellklappe).
Die Verwirbelungseinstellklappe 62 und das Kraftstoffeinspritzventil 16 werden von einer Steuereinheit U2 gesteuert, der von Sensoren 71 bis 74 Signale zugeführt werden. Der Sensor 71 erfaßt die Menge der Ansaugluft, der Sensor 72 die Motordrehzahl, der Sensor 73 die Kühlwassertemperatur und der Sensor 74 die Temperatur der Ansaugluft.
Unter den obigen Vorraussetzungen wird die vorliegende Erfindung im folgenden genauer beschrieben, wobei auf das in Fig. 41 gezeigte Ablaufdiagramm Bezug genommen wird.
Zuerst werden in Schritt P1 die Menge der Ansaugluft Qa (Motorbelastung), die Motordrehzahl min&supmin;¹, die Kühlwassertemperatur Tw und die Temperatur der Ansaugluft Ta erfaßt. Dann wird in Schritt P2 eine Kraftstoffeinspritzimpulsbreite τinj bestimmt, indem ein auf Grundlage der Menge der Ansaugluft Qa und der Motordrehzahl min&supmin;¹ erlangter Basiswert mit einem Korrekturkoeffizienten C&sub1;, der sich nach der Kühlwassertemperatur Tw und der Ansauglufttemperatur Ta richtet, multipliziert wird.
Danach wird in Schritt P3 der Öffnungswinkel der Verwirbelungseinstellklappe 62 θscv auf Grundlage der Ansaugluftmenge Qa und Motordrehzahl min&supmin;¹ bestimmt. Wenn die Motordrehzahl eine vorgegebene Drehzahl min&supmin;¹&sub0; (Fig. 42) nicht überschreitet, wird zuerst auf Grundlage der Ansaugluftmenge Qa gemäß dem Diagramm von Fig. 44 der Verwirbelungsgrad und danach auf Grundlage des vorausgehenden Diagramms der Öffnungswinkel der Verwirbelungseinstellklappe θscv bestimmt.
Dann wird zu Schritt P4 übergegangen, in dem ein Zündzeitpunkt für die zentrale Zündkerze 7 bestimmt wird, indem ein auf Grundlage der Motordrehzahl min&supmin;¹ und der Kraftstoffeinspritzimpulsbreite τinj erlangter Basiswert mit einem Korrekturkoeffizienten C&sub2; multipliziert wird, der sich nach der Kühlwassertemperatur Tw und der Ansaugtlufttemperatur Ta richtet.
In Schritt P5 wird auf Grundlage der Motordrehzahl min&supmin;¹ und der Kraftstoffeinspritzimpulsbreite τinj der Kraftstoffeinspritzbeginn θinj bestimmt. Dabei wird gemäß dem in Fig. 46 gezeigten Diagramm in Abhängigkeit von der Motordrehzahl min&supmin;¹ das Kraftstoffeinspritzende θiend bestimmt. Dann wird in Abhängigkeit von der Kraftstoffeinspritzimpulsbreite τinj der Kraftstoffeinspritzbeginn θinj bestimmt, wie in Fig. 45 gezeigt, und somit das Kraftstoffeinspritzende θiend erlangt.
Dann wird in Schritt P6 entschieden, ob die Motordrehzahl min&supmin;¹ so hoch wie oder niedriger als die vorgegebene Drehzahl min&supmin;¹&sub0; ist. Wenn die Entscheidung in Schritt P6 NEIN ergibt, d. h. wenn festgestellt wird, daß die Motordrehzahl in einem hohen Bereich liegt, wird die Berechnung der Phasensteuerung der Zündung so verzögert, daß im Programmfluß Schritt P13 folgt, in dem der Zündzeitpunkt der äußeren Zündkerzen 60 (i = 1 bis 6) so eingestellt wird, daß er mit dem Zündzeitpunkt der zentralen Zündkerze übereinstimmt. Danach wird zu Schritt P11 übergegangen, in dem die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung ausgeführt wird.
Ergibt die Entscheidung in Schritt P6 JA, dann folgt Schritt P7, in dem festgestellt wird, ob die Ansaugluftmenge Qa so groß wie oder kleiner als eine vorgegebene Menge QaH (Fig. 42) ist. Wenn die Entscheidung von Schritt P7 NEIN ergibt, folgt Schritt P12, in dem die Steuerung der Zündkerzen unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung eines Drehmomentrucks erfolgt, wie weiter unten beschrieben.
Wenn die Entscheidung von Schritt P7 JA ergibt, folgt Schritt P8, in dem der Zündzeitpunkt θigi für die äußeren Zündkerzen 60 bestimmt wird, indem zu dem Zündzeitpunkt θig der zentralen Zündkerze, wie weiter unten beschrieben, eine vorgegebene Phasendifferenz Δθigi addiert wird.
Nach Schritt P8 folgt Schritt P9, in dem entschieden wird, ob die Ansaugluftmenge Qa so groß wie oder größer als ein vorgegebener Wert QaL, (Fig. 42) ist. Wenn die Entscheidung von Schritt P9 NEIN ergibt, wird keine Veränderung mehr vorgenommen und sofort zu Schritt P11 übergegangen. Ergibt dagegen die Entscheidung von Schritt P9 JA, dann folgt Schritt P10, in dem der Zündzeitpunkt θig der zentralen Zündkerze 7 auf 180º nach OT eingestellt wird, was der ersten Hälfte des Auspufftakts entspricht. Es sei angemerkt, daß Schritt P10 in einem Bereich ausgeführt wird, in dem kein Zünden mittels der zentralen Zündkerze 7 vorgesehen ist. Die zentrale Zündkerze 7 wird aber so betätigt, daß sie nicht am Zünden des Kraftstoffs beteiligt ist. Zu diesem Zeitpunkt besteht nicht die Gefahr, daß Gemisch verbrannt und die zentrale Zündkerze 7 beschädigt wird.
Im folgenden wird beschrieben, wie in Schritt P8 die Phasendifferenz Δθigi zwischen den äußeren Zündkerzen 60 bestimmt wird. Bei diesem Beispiel wird die Phasendifferenz Δθigi nach der folgenden Formel bestimmt:
Δθigi = (Δθ1igi + Δθ2igi) x G
wobei Δθ1igi eine erste Phasendifferenzkomponente,
Δθ2igi eine zweite Phasendifferenzkomponente und
G ein Korrekturkoeffizient ist.
Die erste Phasendifferenzkomponente wird wiederum auf folgende Weise bestimmt. Zuerst wird, wie in Fig. 47 gezeigt, vorausgesetzt, daß sich der Kreis mit der durchgezogenen Linie außerhalb des Kreises mit der gestrichelten Linie befindet, wobei mit dem Kreis mit der gestrichelten Linie der Zündzeitpunkt für die zentrale Zündkerze 7 wiedergegeben wird. Der Kreis mit der durchgezogenen Linie wird vorausgesetzt, wenn der Verwirbelungsgrad Null beträgt, wobei die Linie, die die äußeren Zündkerzen i = 1 und i = 4 verbindet, als im wesentlichen synchrone Mittellinie gezogen wird und dieser Kreis zur äußeren Zündkerze bei i = 4 hin versetzt ist. Hier läßt sich erkennen, daß die erste Phasendifferenzkomponente für die äußeren Zündkerzen als Abweichung der durchgezogenen Linie von der gestrichelten Linie vorgegeben wird, wenn der Verwirbelungsgrad Null beträgt. Und in Fig. 47 wird eine erste Phasendifferenzkomponente Δθ1ig5 für die äußere Zündkerze bei i = 5 als Beispiel angeführt. Wenn der Verwirbelungsgrad nicht gleich Null ist, wird entsprechend dessen Stärke ein Winkel α gemäß dem im Fig. 49 gezeigten Diagramm vorgegeben und ein Kreis mit strichpunktierter Linie durch Drehung des Kreises, der in Fig. 47 mit der durchgezogenen Linie dargestellt ist, um den Winkel α im Uhrzeigersinn in der Zeichnung erlangt. Hier sei angemerkt, daß die Abweichung des Kreises mit der durchgezogenen Linie vom Kreis mit strichpunktierter Linie als erste Phasendifferenzkomponente Δθ1igi vorgegeben wird, wenn der Verwirbelungsgrad nicht gleich Null ist. Der Winkel α wird entsprechend dem Gesichtspunkt bestimmt, daß umso mehr des konzentrierten Gemischs, das eine günstige Ausbreitung der Flamme ermöglicht, in Drehrichtung der Verwirbelung bewegt wird, je stärker die Verwirbelung ist. Hier ist zu bemerken, daß ein Radius des in Fig. 47 mit einer durchgezogenen Linie wiedergegebenen Kreises entsprechend einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit an den Positionen der äußeren Zündkerzen vorgegeben ist und daß die Vermischung der Gase im Brennraum umso besser ist und die physikalischen Eigenschaften des Gemischs im gesamten Bereich der Umfangsrichtung des Zylinders umso gleichmäßiger werden, je größer der Verwirbelungsgrad ist, so daß die erste Phasendifferenzkomponente Δθ1igi umso größer wird, je kleiner der Verwirbelungsgrad ist, wie in Fig. 51 gezeigt.
Die zweite Phasendifferenzkomponente Δθ2igi wird auf folgende Weise bestimmt. Zuerst sei angenommen, daß bei einem Ansaugtakt ein Einspritzzeitpunkt verstellt wird, während Verwirbelung herbeigeführt wird (Die Einspritzung selbst erfolgt allerdings kontinuierlich). In diesem Fall weist ein solches konzentriertes Gemisch die Tendenz auf, sich umso mehr in Richtung des Wirbels zu bewegen, je weiter vorn der Kraftstoffeinspritzbeginn liegt. Außerdem werden die Gase bei einem frühen Kraftstoffeinspritzbeginn besser vermischt, so daß die zweite Phasendifferenzkomponente Δθ2igi tendenziell wie die erste Phasendifferenzkomponente Δθ1igi bestimmt wird. Diese Tendenz wird in Fig. 48 und Fig. 50 gezeigt.
Der Korrekturkoeffizient G wird gemäß Fig. 52 bis 54 bestimmt, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs, die Motorbelastung und die Motordrehzahl als Parameter herangezogen werden.
Es ist auch möglich, eine gleichmäßige Verteilung der Flamme in Umfangsrichtung des Zylinders herbeizuführen, indem anstelle der oben beschriebenen Steuerung der Phasendifferenz der Zündzeitpunkte die Einspritzung von Kraftstoff während eines Ansaugtakts aufgeteilt wird. In diesem Fall wird in Schritt P8 in Fig. 41 der Zündzeitpunkt θigi für die äußeren Zündkerzen 60 dem Zündzeitpunkt θig für die zentrale Zündkerze gleichgesetzt. Die Aufteilung der Einspritzung wird z. B. so vorgenommen, wie in Fig. 57 gezeigt. Mit anderen Worten, zuerst werden der Kraftstoffeinspritzbeginn Ts und das Kraftstoffeinspritzende Tf bestimmt, wobei, wie in Fig. 58 gezeigt, als Parameter die Motordrehzahl dient. Die Anzahl der Einspritzungen n wird nach der folgenden Formel bestimmt:
n = (Ts - Tf)/(τmin + τα + τr)
wobei τmin die Minimaleinspritzimpulsbreite eines Kraftstoffeinspritzventils,
τα eine Variable der Einspritzzeit und
τr ein Minimalzwischenintervall ist.
Hier sein angemerkt, das die Einspritzung bei n x τmin < τinj kontinuierlich und bei n x τmin ≥ τinj intermittierend erfolgt. Wenn die Anzahl der Einspritzungen n bei intermittierender Einspritzung nicht ganzzahlig ist, kann sie durch Angleichung der Endeinspritzimpulsbreite in eine ganze Zahl umgewandelt werden.
Wenn die Motorbelastung steigt, z. B. beim Übergang von der Außenzündung zur Zündung mit den zentralen als auch den äußeren Zündkerzen, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs von mager (z. B. Luft-Kraftstoff-Verhältnis 22 : 1) zu fett (z. B. Luft- Kraftstoff-Verhältnis 14,7 : 1) geändert. Würde in diesem Fall das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs allmählich geändert, dann würde währenddessen NOx zunehmen, wie in Fig. 55 gezeigt. Würde dagegen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs schnell geändert, dann würde ein starker Drehmomentruck eintreten. Um dem zu begegnen, wird bei der vorliegenden Erfindung zuerst eine Zunahme an NOx verhindert, indem das Luft- Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs schnell geandert wird, nachdem die Anzahl der arbeitenden Zündkerzen auf eins verringert wurde. Danach wird die Anzahl der arbeitenden Zündkerzen allmählich erhöht, bis alle Zündkerzen in Betrieb sind, was ein Eintreten des Drehmomentrucks verhindert. Fig. 56 zeigt, wie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs geändert und die Anzahl der arbeitenden Zündkerzen allmählich erhöht wird. In dieser Zeichnung bezeichnet t1 den Zeitpunkt, zu dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs geändert wird und t2 den Zeitpunkt, zu dem die in Verbindung mit der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemischs erfolgende Steuerung der Anzahl der arbeitenden Zündkerzen beendet ist. Diese Steuerung entspricht inhaltlich der Steuerung, die in Schritt P12 von Fig. 41 ausgeführt wird. Dazu sei angemerkt, daß diejenigen Zündkerzen, die in einem Übergangsbereich der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nicht zum Zünden benötigt werden, wie in Schritt P18 so betätigt werden, daß sie nicht am Zünden des Kraftstoffs beteiligt sind und somit eine Beschädigung der beteiligten Zündkerzen verhindert wird.

Claims

1. Motor, bei dem eine Zündquelle zum Zünden von Kraftstoff eine im wesentlichen mittig an einem Brennraum (2) angebrachte zentrale Zündquelle (7) und mehrere äußere Zündquellen (8, 9, 10), die um einen Endabschnitt des Brennraums (2) herum mit Abstand angeordnet sind, umfaßt,

dadurch gekennzeichnet,

daß die äußeren Zündquellen (8, 9, 10) so angeordnet sind, daß die von ihnen erzeugten Flammen sich in Richtung der Zylinderwand eher als in Richtung der Zylindermitte vereinen, wenn die Zündung ausschließlich durch die äußeren Zündquellen (8, 9, 10) erfolgt, und daß eine Schalteinrichtung (U) so ausgebildet ist, daß sie gemäß einem Betriebszustand des Motors einen ersten Zündungsmodus, in dem die Zündung ausschließlich durch die äußeren Zündquellen (8, 9, 10) erfolgt, oder einen zweiten Zündungsmodus, in dem die Zündung mindestens durch die zentrale Zündquelle (7) erfolgt, herbeiführt.

2. Motor nach Anspruch 1, bei dem im zweiten Zündungsmodus die Zündung ausschließlich durch die zentrale Zündquelle (7) erfolgt.

3. Motor nach Anspruch 1, bei dem im zweiten Zündungsmodus die Zündung durch die zentrale Zündquelle (7) und die äußeren Zündquellen (8, 9, 10) erfolgt.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Betriebszustand des Motors, der als Parameter zum Umschalten des Zündungsmodus dient, die Motorbelastung ist.

5. Motor nach Anspruch 4, bei dem der erste Zündungsmodus bei geringer Motorbelastung eingestellt wird.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem

- der zweite Zündungsmodus, bei dem die Zündung durch die zentrale Zündquelle (7) erfolgt, weiterhin einen dritten Zündungsmodus, bei dem die Zündung ausschließlich durch die zentrale Zündquelle (7) erfolgt, und eine vierten Zündungsmodus, bei dem die Zündung durch alle Zündquellen einschließlich der zentralen Zündquelle (7) und der äußeren Zündquellen (8, 9, 10) erfolgt, umfaßt,

- der erste Zündungsmodus bei geringer Motorbelastung eingestellt wird,

- der vierte Zündungsmodus bei hoher Motorbelastung eingestellt wird und

- der dritte Zündungsmodus bei mittlerer Motorbelastung eingestellt wird.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem

- der als Paramater zum Umschalten des Zündungsmodus dienende Betriebszustand des Motors die Motorbelastung und die Motordrehzahl umfaßt,

- der zweite Zündungsmodus, bei dem die Zündung mindestens durch die zentrale Zündquelle erfolgt, weiterhin einen dritten Zündungsmodus, bei dem die Zündung ausschließlich durch die zentrale Zündquelle erfolgt, und eine vierten Zündungsmodus, bei dem die Zündung durch alle Zündquellen einschließlich der zentralen Zündquelle (7) und der äußeren Zündquellen (8, 9, 10) erfolgt, umfaßt,

- der erste Zündungsmodus bei geringer Motorbelastung eingestellt wird,

- der vierte Zündungsmodus bei hoher Motorbelastung eingestellt wird,

- der dritte Zündungsmodus bei mittlerer Motorbelastung und niedriger Motordrehzahl eingestellt wird

- und der erste Zündungsmodus bei mittlerer Motorbelastung und hoher Motordrehzahl eingestellt wird.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Wärmewert der zentralen Zündquelle (7) höher als der Wärmewert der äußeren Zündquellen (8, 9, 10) ist.

9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Zündzeitpunkt für die zentrale Zündquelle (7) und der Zündzeitpunkt für die äußeren Zündquellen (8, 9, 10) unterschiedlich eingestellt werden.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der weiterhin eine Verwirbelungsregeleinrichtung (62) zur Regelung der Stärke der Verwirbelung der dem Brennraum (2) zugeführten Ansaugluft umfaßt, wobei die Stärke der Verwirbelung gemäß den verschiedenen Zündungsmodi ändert wird.

11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem eine Zündkerze (8, 9, 10), die keine Zündung des dem Brennraum (2) zugeführten Gasgemisches bewirkt, zu einem Zeitpunkt gezündet wird, zu dem die Zündung der Zündkerze keine Zündung des Gasgemisches herbeiführt.