DE3543084A1

DE3543084A1 - Steuerungssystem fuer die kraftstoff-verdampfungsgeschwindigkeit bei einem ottomotor mit direkter kraftstoff-einspritzung

Info

Publication number: DE3543084A1
Application number: DE19853543084
Authority: DE
Inventors: Shizuo Susono Shizuoka Sasaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1984-12-07
Filing date: 1985-12-05
Publication date: 1986-06-12
Also published as: DE3543084C2; JPH0585728B2; US4667630A; JPS61138816A

Description

Steuerungssystem für die Kraftstoff-Verdampfungsgeschwindigkeit bei einem Ottomotor mit direkter Kraftstoff-Einspritzung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungssystem für die Kraftstoff-Verdampfungsgeschwindigkeit bei einem Ottomotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung.

Mit einem mit direkter Kraftstoffeinspritzung arbeitenden Ottomotor (Brennkraftmaschine mit Funkenzündung), wobei der Kraftstoff direkt in den Zylinder sowie auf die Oberfläche der im Kolbenkopf einen Brennraum bildenden Brennraumwand gespritzt und dann der an dieser Wand haftende Kraftstoff durch Erhitzen der Brennraumwand verdampft wird, um ein brennbares Gasgemsich zu erzeugen, kann eine extrem hohe Kraftstoffausnutzung, d.h., ein extrem hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Einem solchen Motor mit direkter Kraftstoffeinspritzung haften jedoch Nachteile an, auf die im folgenden eingegangen wird.

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Wenn sich bei einem solchen Motor mit Direkteinspritzung die Motordrehzahlen und -lasten in weitern Bereich ändern, dann ändert sich auch die Temperatur der Brennraumwand, an der der Kraftstoff haftet, erheblich. Das hat zum Ergebnis, daß in einem Bereich hoher Motorlasten, in dem die Temperatur der Brennkammerwand ansteigt, die Kraftstoff-Verdampfungsgeschwindigkeit oder -rate zu hoch wird, was auf Grund einer zu raschen Verbrennung zu einem Anstieg im Verbrennungsgeräusch führt und ein erhöhtes Motorgewicht erfordert, damit der Motor den höheren Verbrennungsdrücken widerstehen kann. Auch fällt in einem Bereich niedriger Motorlasten und -drehzahlen die Temperatur der Brennraumwand auf einen zu niedrigen Wert ab, was eine verzögerte Verbrennung zum Ergebnis hat und die Mengen an HC und Aldehyden im Abgas erhöht.

Es ist bekannt, bei einem Dieselmotor auf die Rückfläche der Brennraumwand einen Kühlstrahl zu spritzen. Vorrichtungen zur Steuerung der Menge des auf die Rückfläche eines Brennraumes in einem Kolben gespritzten ölstrahls sind in den JP-GM-Veröffentlichungen SHO 59 - 22 097 und SHO 59 - 49 719 offenbart. Diese Veröffentlichungen beschreiben jedoch nichts anderes als Vorrichtungen zur Steuerung der Temperatur des Kolbens in einem Dieselmotor, um entweder eine übermäßige Kühlung oder ein Klopfen zu unterbinden, und haben keine Beziehung zu einem Ottomotor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Ottomotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung einen übermäßigen Anstieg in der Temperatur einer Brennraumwand in einem Bereich hoher Motorlasten zu unterdrücken, um damit die Verbrennungsgeschwindigkeit von an der Oberfläche der Brennraumwand haftendem Kraftstoff zu vermindern, um durch Verlängerung der Verbrennungszeitspanne den maximalen Verbrennungsdruck sowie die Verbrennungsgeräusche herabzusetzen und um eine Verringerung im Motorgewicht zu ermöglichen,

Ein Ziel der Erfindung besteht hierbei darin, die Temperatur der Brennkammerwand in einem Bereich niedriger Motorlasten und -drehzahlen über einem bestimmten Pegel oder Wert zu halten, um damit die Kraftstoff-Verbrennungsgeschwindigkeit oberhalb eines bestimmten Pegels zu halten, eine verzögerte Verbrennung zu unterdrücken und die HC- sowie Aldehydmengen im Abgas herabzusezten.

Um diese Aufgabe zu lösen und das obige Ziel sowie weitere Ziele zu erreichen, schafft die Erfindung ein Steuerungssystem für die Kraftstoff-Verdampfungsgeschwindigkeit bei einem Ottomotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, wobei Kraftstoff auf die Oberfläche einer heißen Wand eines in einem Kolbenkopf ausgebildeten Brennraumes in einen Zylinder eingespritzt und dann der an dieser Wand haftende Kraftstoff durch von der Wand ausgehende Hitze verdampft wird, um ein brennbares Gasgemisch zu erzeugen. Das System umfaßt eine Düseneinrichtung, um einen kühlenden ölstrahl auf eine Rückfläche der Brennraumwand zu spritzen, eine Ventileinrichtung, um den Ducchflußquerschnitt eines zur Düseneinrichtung führenden ölkanals einzuregeln, ein Rechengerät, das einen optimalen Durchflußquerschnitt des ölkanals für eine optimale Brennraumwandtemperatur entsprechend Motorbetriebsparametern auf der Basis einer Map berechnet und seinen Ausgang der Ventileinrichtung zuführt, so daß der Durchflußquerschnitt des Ölkanals auf den berechneten optimalen Durchflußquerschnitt eingeregelt wird, und eine Fühleinrichtung, die den Motorbebetriebsparameter ermittelt oder erfaßt und das auf diesen bezogene Signal dem Rechengerät als Eingang zuführt.

Die Strömungsmenge für den ölstrahl wird durch das Steuerungssystem für die KraftstoffVerdampfungsgeschwindigkeit so eingeregelt, daß sie in einem Bereich hoher Motorlasten groß ist, damit ein übermäßiger Anstieg in der Temperatur der Brennraumwand unterdrückt sowie die Kraftstoff-Verdampfungsgeschwindig-

keitabgesenkt wird, womit durch Verlängerung der Verbrennungsdauer das Verbrennungsgeräusch vermindert und durch die Herabsetzung des Verbrennungsdrucks eine Verringerung des Motorgewichts ermöglicht wird.

Die Brennraumwand kann als ein von einem Kolbenkörper getrenntes Teil ausgebildet werden, wobei sie mit dem Kolbenkörper an einer Umfangsflache verbunden werden kann, die im Vergleich zum Flächeninhalt der Rückfläche, auf die der kühlende ölstrahl gespritzt wird, einen kleinen Wärmeübergangsflächenbereich hat, und diese Wand kann aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt sein. Auf Grund der wärmeisolierenden Struktur der Brennraumwand kann in einem Bereich niedriger.Motorlasten, in dem der ölstrahl unterdrückt wird, die Temperatur der Brennraumwand oberhalb eines bestimmten Pegels gehalten werden, wie auch die Verdampfung des an der Wand haftenden Kraftstoffs auf einem vergleichsweise hohen Pegel gehalten werden kann, womit die Takt-für-Takt-Änderungsgeschwindigkeit der Verbrennung vermindert wird und HC sowie Aldehyde im Abgas herabgedrückt werden.

Die Aufgabe und die Lösung sowie weitere Ziele wie auch die Merkmale und Vorteile der Erfindung werdea aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Zylinders und Kolbens mit einer schematischen Darstellung eines Steuerungssystems in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm über die Beziehungen zwischen der Motorlast und den Temperaturen einer Brennraumwand bei einem Ottomotor mit Direkteinspritzung, wobei der Parameter der Motordrehzahl sich ändert;

Fig. 3 ein Diagramm einer in einem Speicher eines Rechengeräts gespeicherten Map, die auf die Beziehungen zwischen der Motorlast und den für das Einhalten der Temperatur der Brennraumwand benötigten Querschnitt des Kühlölkanals bei einem Ottomotor mit Direkteinspritzung des Kraftstoffs abgestellt ist, wobei sich der Parameter der Motordrehzahl ändert;

Fig. 4 ein Flußdiagramm für ein Rechengerät bei dem Steuerungssystem der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine zu Fig. 1 gleichartige Darstellung für ein Steuerungssystem gemäß der Erfindung in. einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 6 eine zu Fig. 1 gleichartige Darstellung für ein Steuerungssystem gemäß der Erfindung in einer dritten Ausführungsform;

Fig. 7 eine zu Fig. 1 gleichartige Darstellung für ein Steuerungssystem gemäß der Erfindung in einer vierten Ausführungsform;

Fig. 8 ein Diagramm über mit dem Erfindungsgegenstand erzielte Ergebnisse, wobei die Beziehungen zwischen der Strömungsmenge eines ölstrahls und der Temperatur der Brennraumwand, der Takt-für-Takt-Änderung in der Verbrennungsgeschwindigkeit, der HC-Menge im Abgas, der NOx-Menge im Abgas, dem maximalen Verbrennungsdruck Pmax und der Kraftstoffausnutzung in den Fällen hoher Motorlast (G = 0,8) und niedriger Motorlast (G = 0,4) gezeigt sind;

Fig. 9(a) ein Diagramm über die Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und dem Zylinderdruck bei veränderten Kühlölstrahl-Strömungsmengen in einem hohen Motorlastbereich;

Fig. 9(b) ein Diagramm über die Beziehung zwischen der Frequenz des Motorgeräuschs und dem Zylinderdruckpegel

bei veränderten Kühlölstrahl-Strömungsmengen im hohen Motorlastbereich;

Fig. 10(a) ein Diagramm über die Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und dem Zylinderdruck bei veränderten Kühlölstrahl-Strömungsmengen in einem niedrigen Motorlastbereich;

Fig. 10(b) ein Diagramm über die Beziehung zwischen der Frequenz des Motorgeräuschs und dem Zylinderdruckpegel bei veränderten Kühlölstrahl-Strömungsmengen im niedrigen Motorlastbereich.

Die Fig. 1 zeigt ein Steuerungssystem für die Kraftstoff-Verdampfungsgeschwindigkeit oder -rate bei einem Ottomotor mit direkter Einspritzung in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Bei diesem Motor ist ein Kolben 1 in einem Zylinder 2 hin- und herbewegbar aufgenommen, wobei mit dem Kolben 1 eine Pleuelstange 3 verbunden ist.

In einer im Kopf des Kolbens 1 ausgestalteten Höhlung ist ein Brennraum 4 ausgebildet, der von einer Brennraumwand 4a abgegrenzt wird, welche ein zum Kolbenkörper 5 eigenes Teil ist. Die Brennraumwand 4a weist eine wärmeisolierende Ausbildung oder Struktur auf, so daß eine Wärmeübertragung von der Wand 4a auf den Kolbenkörper 5 unwahrscheinlich, d.h., nahezu nicht möglich ist. Bei dieser ersten Ausführungsform ist die Brennraumwand 4a mit dem Kolbenkörper 5 an ihrer Umfangsflache 6 verbunden, die einen im Vergleich zum Flächeninhalt der Rückfläche 9 der Wand 4a kleinen Wärmeübergangsbereich hat. Eine Kraftstoff-Einspritzdüse 7 ist im Brennraum 4 vorgesehen, in den sie Kraftstoff einspritzt, und zwar auf die Frontfläche 8 der Wand 4a. Der an der Frontfläche 8 haftende Kraftstoff wird durch die Wärme der Frontfläche 8 verdampft, so daß ein brennbares Gasgemisch erzeugt wird, das durch eine Zündkerze 60 entzündet wird.

Auf die Rückfläche 9 der Wand 4a wird von einer Strahleinrichtung, z.B. einer Öldüse 10, die unterhalb des Kolbens 1 vorgesehen ist, ein Ölstrahl 11 gespritzt. Die Öldüse 10 steht über einen Ölkanal 12 mit einem im Zylinderblock 2 ausgestalteten ölzufuhrkanal 13 in Verbindung. Der ölkanal 12 ist mit einer Absperreinrichtung zur Einregelung des Durchflußquerschnitts versehen, so daß die der öldüse 10 zugeführte ölmenge durch die Absperreinrichtung, die in diesem Fall ein Magnetventil 14 umfaßt, geregelt wird. Das Magnetventil 14 enthält eine Nadel 15, die von einer Magnetspule 16 betätigt wird und den Durchflußquerschnitt im ölkanal 12 verändert. Das Magnetventil 14 ist elektrisch an ein Rechengerät 17 angeschlossen, das durch die Einregelung des Ventils 14 die der Öldüse 10 zugeführte ölmenge steuert.

Das Rechengerät 17 empfängt als Eingangssignale zwei Motorbetriebsparameter, nämlich die Motordrehzahl von einem Drehzahlfühler 18 und die Motorlast von einem Lastfühler 19. Da die Motorlasten der Kraftstoffmenge, die in den Brennraum 4 eingespritzt wird, proportional sind, kann der Motorlastfühler 19 ein Kraftstoff-Strömungsmengenfühler sein. Das Rechengerät 17 empfängt ferner als Eingangssignale die Motoröltemperatur von einem Öltemperaturfühler 20 und die Kühlwassertemperatur von einem Kühlwassertemperaturfühler 21. Diese Temperatursignale geben den jeweiligen Warmlauf-oder Betriebszustand des Motors an. Bei Empfang der Eingangssignale bezüglich der Motordrehzahl und -last berechnet das Rechengerät 17 auf der Grundlage einer gespeicherten Map (Abbildung) einen optimalen Oldurchtrittsquerschnitt für den ölkanal 12, und das Ausgangssignal dieser Berechnung wird dem Magnetventil 14 zugeführt.

Als Daten zur Bestimmung der optimalen Werte für den oldurchtrittsquerschnitt des Kanals 12 und die öleinspritzmenge werden die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Beziehungen verwendet.

Die Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Motorlast und der Temperatur der Brennraumwand 4a mit dem sich ändernden Betriebsparameter der Motordrehzahl in dem Fall, da die Menge des ölstrahls 11 in einer Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung konstantgehalten wird. Die Fig. 2 zeigt eine obere Grenzlinie O₁ für die Brennraum-Wandtemperatur bei einem hohen Lastbereich, die aus dem Gesichtspunkt heraus bestimmt wird, den maximalen Verbrennungsdruck Pmax unter einem bestimmten Pegel zu halten, um die Verbrennungsgeräusche zu unterdrücken und eine Möglichkeit für eine Verminderung des Motorgewichts zu schaffen. Ferner ist in Fig.2 auch eine untere Grenzlinie O₂ der Brennraum-Wandtemperatur für einen niedrigen Motorlastbereich gezeigt, die aus dem Gesichtspunkt der Aufrechterhaltung der Takt-für-Takt-Änderung in der Verbrennungsgeschwindigkeit innerhalb einer bestimmten Grenze bestimmt wird, um die Verbrennungsdauer zu verkürzen, so daß die Kraftstoffausnutzung verbessert und die HC-sowie Aldehydmengen im Abgas herabgedrückt werden. Der Abstand zwischen den beiden Linien 0. und Oo bestimmt einen geeigneten Bereich für die Brennraum-Wandtemperatur, und die mittig zwischen den Linien O₁ sowie 0_? liegende Linie Oo bezeichnet den optimalen Wert für die Temperatur der Brennraumwand 4a.

Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das einer im Speicher des Rechengeräts gespeicherten Map entspricht. Die Map enthält Beziehungen zwischen der Motorlast und dem Durchflußquerschnitt des ölkanals 12 mit dem sich ändernden Betriebsparameter der Motordrehzahl, so daß die optimale, in Fig. 2 bestimmte Brennraum-Wandtemperatur erhalten werden kann. Die Map von Fig. 3 liefert somit den optimalen Durchflußquerschnitt des ölkanals 12 entsprechend den Eingaben hinsichtlich der Motordrehzahlen und -lasten.

Die Fig. 4 zeigt einen Flußplan für die Steuerung bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Gemäß diesem Flußplan werden, wenn die Motorkühlwassertemperatur und/oder die Motoröltemperatur niedrig ist bzw. sind, d.h., wenn der Motor nach dem Starten nicht genügend warmgelaufen ist, das Rechengerät 17 abgeschaltet und der Durchflußquerschnitt V des Ölkanals 12 auf etwa Null eingestellt. Wenn die Wasser- und/oder öltemperatur über einen bestimmten Pegel ansteigen, d.h., daß der Motor genügend warmgelaufen ist, dann wird das Rechengerät 17 angeschaltet, womit die Berechnung durch das Rechengerät ausgelöst wird. Der optimale Wert für den Durchflußquerschnitt des ölkanals 12 wird auf der Grundlage der Map entsprechend den Motordrehzahlsignalen vom Drehzahlfühler 18 und den Motorlastsignalen von entweder dem Lastfühler 19 oder den Kraftstoffeinspritzmengensignalen im Rechengerät berechnet. Der Ausgang über den optimalen öldurchtrittsquerschnitt des Kanals 12 wird als ein elektrisches Spannungssignal an das Magnetventil 14 gegeben.

Bei der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird die wärmeisolierende Struktur der Brennraumwand dadurch erreicht, daß die den Brennraum 30 begrenzende Brennraumwand 30a aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt wird. Da auf Grund der wärmeisolierenden Charakteristik die Brennraumwand 3oa auf einer vergleichsweise hohen Temperatur gehalten werden kann, kann diese Wand 3oa mit dem Kolbenkörper 31a auf einer großen Berührungsfläche verbunden werden. Der ölstrahl 11 wird auf die Rückfläche der Brennkammerwand gespritzt. Der übrige Aufbau entspricht demjenigen der ersten Ausführungsform, wobei gleiche Bezugszahlen wie dort verwendet werden, so daß eine nähere Erläuterung unterbleiben kann.

Die Fig. 6 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform wobei eine Verbindungsfläche 42 zwischen der Wand 40a des Brennraumes 40 und dem Kolbenkörper 41 aus einem wärmeiso-

lierenden Material besteht. Der übrige Aufbau ist wieder demjenigen der Fig. 1 gleich.

Bei der in Fig. 7 gezeigten vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung sind wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 ein Kolben 1, ein Zylinder bzw. Zylinderblock 2, eine Pleuelstange 3, ein Brennraum 4, eine Brennraumwand 4a, ein Kolbenkörper 5, eine Verbindungsfläche 6, eine Kraftstoff-Einspritzdüse 7, eine Frontfläche 8 der Brennraumwand 4a, eine Rückfläche 9 dieser Wand 4a, eine Öldüse 10 und eine Zündkerze 60 vorhanden. Die Brennraumwand 4a oder die Verbindungsfläche zwischen dieser Wand 4a und dem Kolbenkörper 5 kann aus wärmeisolierendem Material gefertigt sein.

Bei dieser vierten Ausführungsform kommt zur Regelung der Menge des Kühlölstrahls 50 jedoch ein Rechengerät nicht zur Anwendung. Statt dessen ist in einem ölkanal 52, der das Öl von einer Ölpumpe 51 der Öldüse 10 zuführt, eine Steuervorrichtung zur Regelung der Menge des ölstrahls 50 vorgesehen. Im ölkanal 52 ist ein von einer Feder 53 in stromaufwärtiger Richtung belasteter Ventilkolben 54 angeordnet, der in der axialen Richtung verschiebbar und um seine Achse drehbar ist. Ein Umgehungskanal 55 verbindet eine stromauf vom Kolben 54 im ölkanal 52 befindliche Öffnung mit einer im ölkanal 52 im Bereich der Mitte des Kolbens 54 befindlichen Öffnung. Der Kolben 54 ist in seiner Ober- bzw. Außenfläche mit einer ölkehle 56 versehen, die als Teil des ölkanals 52 wirkt und die axiale Mitte des Kolbens 54 mit dem von diesem stromab gelegenen ölkanal verbindet. Der Durchflußquerschnitt der Ölkehle 56 verändert sich längs dieser, weshalb sich der mit der Umgehungsleitung 55 gemeinsame Durchflußquerschnitt bei Drehung des Ventilkolbens 54 um seine Achse ebenfalls ändert. Der Kolben 54 ist über eine geeignete Einrichtung mit einem Gaspedal 57 gekoppelt, so daß er sich bei einer Bewegung des Pedals dreht.

Das von der Ölpumpe 51 zugeführte öl drückt den Ventilkolben 54 stromab mit einem (durch den Pfeil 58 angedeuteten) Druck, der mit ansteigender Motordrehzahl größer wird, wobei der Kolben 54 in eine Lage gelangt, in der der Druck 58 und die von der Feder 53 ausgeübte Kraft im Gleichgewicht sind. Durch diese Bewegung des Kolbens 54 wird die Lagebeziehung zwischen der Umgehungsleitung 55 und der ölkehle 56 verändert, was eine Änderung des gemeinsamen öldurchtrittsquerschnitts der Ölkehle 56 mit der Umgehungsleitung 55 und eine entsprechende Änderung in der Menge des ölstrahls 50 zum Ergebnis hat. Die Strömungsmenge für den ölstrahl 50 in dem Fall, da die Menge des eingespritzten Kraftstoffs gleich Null ist, wird auf der Grundlage der Ölstrahlmenge bei Motordrehzahlen, wenn die auf den Ventilkolben 54 wirkenden Kräfte ausgeglichen sind, bestimmt.

Der Ventilkolben 54 dreht im Verhältnis zur Bewegung des Gaspedals, d.h. zum Öffnungsgrad der Drosselklappe, wobei der Einlaßquerschnitt der an den Austritt des Umgehungskanals 55 angrenzenden ölkehle 56 verändert wird. Das hat zum Ergebnis, daß die Strömungsmenge des an der Öldüse 10 austretenden ölstrahls 50 auf den optimalen Wert entsprechend den Motordrehzahlen und -lasten für eine geeignete, angemessene Kühlung des Brennraumes 4 eingeregelt wird.

Es wird nun auf das Steuersystem für die kraftstoff verdampfung einer mit Zündkerzenzündung arbeitenden Brennkraftmaschine (Ottomotor) der ersten bis dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform eingegangen.

Zuerst erlauben die Signale vom Kühlwassertemperaturfühler und/oder vom Motoröltemperaturfühler 21 eine Beurteilung des Warmlaufzustandes des Motors. Ist der Motor nicht genügend warm, d.h., wenn die Motorbelastungen niedrig sind, so ist das Rechengerät 17 abgeschaltet und der Durchflußquerschnitt des ölkanals durch das Absperrventil 14 auf nahezu Null vermindert. Bei einer geringen Strömungsmenge für den ölstrahl

kann auf Grund der geringen Wärmeübergangsfläche der Wand oder der wärmeisolierenden Struktur der Wand die Temperatur der Brennraumwand 4a, 30a oder 40a vergleichsweise hoch gehalten werden. Deshalb bleibt die Takt-für-Takt-Änderung in der Verbrennungsgeschwindigkeit im niedrigen Motorlastbereich auf einem niedrigen Wert und wird eine Verzögerung in der Verbrennung verhindert, so daß die Kraftstoffausnutzung oder der Kraftstoffwirkungsgrad gesteigert und die Mengen an HC, Aldehyden sowie Rauch im Abgas vermindert werden.

Wenn der Motor ausreichend warmgelaufen ist, d.h., wenn die Motorbelastungen hoch sind, dann wird das Rechengerät in Betrieb genommen. Durch Berechnen des optimalen Strömungsquerschnitts für das Öl im ölkanal 12 mit Hilfe des Rechengeräts 17 und Einregeln des Strömungsquerschnitts dieses Kanals 12 auf den berechneten optimalen Wert mit Hilfe des Absperrventils 14 entsprechend den Motorbeirie bsparametern der Motordrehzahl und -last kann die Temperatur der Brennraumwand 4a, 30a oder 40a vom Gesichtspunkt der Unterbindung eines übermäßigen Anstiegs in der Temperatur der Brennraumwand auf ein Optimum eingeregelt werden. Durch Halten der Temperatur der Brennraumwand unter einem bestimmten Pegel wird auch der maximale Brennraumdruck unter einem bestimmten Pegel gehalten. Das hat zum Ergebnis, daß die Verbrennungsgeräusche vermindert werden und auch das Motorgewicht vermindert werden kann, indem die Motorwände dünn ausgebildet werden.

Die Fig. 8 zeigt Ergebnisse von Versuchen, die unter Verwendung des Steuersystems gemäß der Erfindung für die Kraftstoffverdampfung bei einem Ottomotor mit direkter Einspritzung ausgeführt wurden, und zwar liefen die Versuche bei einer konstanten Motordrehzahl von 2000 U/min ab. In Fig. 8 bezeichnet G ein Äquivalenzverhältnis, d.h. das Verhältnis des theoretischen Luft-/KraftstoffVerhältnisses zum Luft-/ " Kraftstoffverhältnis des zugeführten Gasgemischs. Das Verhältnis· von G = 0,8 entspricht einer hohen, das Verhältnis von·G = 0,4 einer niedrigen Motorlast.

Wie aus Fig. 8 deutlich wird, wird die Temperatur der Brennkammerwand bei hoher Motorlast (G = 0,8) unter einem bestimmten Wert, z.B. 180⁰C, gehalten, wenn die Menge des Ölstrahls mit Hilfe des Rechengeräts 17 und des Absperrventils 14 oberhalb 40g/s gehalten wird. Das hat zum Ergebnis, daß der maximale Verbrennungsdruck Pmax unterhalb eines bestimmten Druckwerts, z.B. etwa 58 bar, gehalten wird. Die Unterdrükkung oder Herabsetzung des maximalen Zylinderdrucks verringert, wie Fig. 9(b) zeigt, auf die noch näher eingegangen wird, die Verbrennungsgeräusche und läßt eine Verminderung im Motorgewicht zu, weil die Motorwände dünn gemacht werden können. Wie ebenfalls der Fig. 8 zu entnehmen ist, wird die Temperatur der Brennraumwand bei niedriger Motorlast (6 = 0,4) oberhalb einer bestimmten Temperatur von z.B. 18O⁰C durch Einregeln der Menge des ölstrahls auf unter 20g/s mit Hilfe des Absperrventils 14 gehalten. Als Ergebnis dessen wird die Takt-für-Takt-Änderung in der Verbrennungsgeschwindigkeit unter 3% gehalten. Die Unterdrückung der Takt-für-Takt-Änderung in der Verbrennungsgeschwindigkeit vermindert eine verzögerte Verbrennung, d.h., die Verbrennungsdauer kann kurz gehalten werden, so daß die Brennstoffausnutzung (der Wirkungsgrad) auf einem guten Wert gehalten werden kann. Die anderen Kennwerte in bezug auf z.B. die HC- und NOx-Menge sowie Rauch im Abgas schwanken kaum weit in Abhängigkeit von einer Änderung der Ölstrahl-Strömungsmenge bei niedriger Motorlast, weshalb der Verminderung dieser Strahlströmungsmenge im niedrigen Lastbereich des Motors die Kenndaten von HC-, Aldehyd- und Rauchmengen im Abgas nicht zum Opfer fallen. Der vom Rechengerät 17 berechnete optimale Querschnitt im ölkanal 12 hält die Ölstrahl-Strömungsmenge oberhalb z.B. 40 g/s im hohen Motorlastbereich, und der vom Absperrventil 14 eingeregelte Strömungsquerschnitt des ölkanals 12 hält die Ölstrahl-Strömungsmenge unter beispielsweise 20 g/s.

Die Fig. 9(a) und 9(b) zeigen jeweils die Zylinderdruck-Kennwerte und die Zylinderdruckpegel-Kennwerte im hohen Motorlastbereich (G = 0,8) entsprechend den Pmax-Kennwerten im Fall der hohen Motorlast von Fig. 8. Die Druckpegelkennwerte in Fig. 9(b) werden durch eine Frequenzanalyse der in Fig. 9(a) gezeigten Zylinderdrücke erhalten. Der Frequenzbereich oberhalb 1 kHz in Fig. 9(b) ist der vorzugsweise zu vermindernde Geräuschbereich. Bei den Versuchen wurde die Motordrehzahl mit 2000 U/min festgesetzt. Der Kraftstoff wurde bei 26° der Kurbelwinkel lage vom oberen Totpunkt eingespritzt, die Zündung wurde im oberen Totpunkt bewirkt. Wie den Fig. 9(a) und 9(b) zu entnehmen ist, verändern sich in Abhängigkeit von den Ölstrahlmengen die Kennwerte des Zylinderdrucks sowie des Verbrennungsgeräuschs, und durch Anwendung der optimalen ölstrahlmenge, d.h. durch Einregelung der.Ölstrahlmenge auf über 40 g/s, können der Verbrennungsdruck sowie das Verbrennungsgeräusch auf kleine Pegel herabgedrückt werden

Die Fig. 10(a) und 10(b) zeigen die Zylinderdruck-Kennwerte und die Zylinderdruckpegel-Kennwerte entsprechend dem Verbrennungsdruck bei den Versuchen, bei denen die Motorlast gemäß Fig. 8 niedrig (G = 0,4) war. Bei diesen Versuchen erfolgte die Kraftstoffeinspritzung bei 26° der Kurbelwinkellage vom oberen Totpunkt, während die Zündung bei 6° vom oberen Totpunkt bewirkt wurde. Wie den Fig. 10(a) und 10(b) zu entnehmen ist, können bei niedriger Motorlast ein genügend kleiner Verbrennungsdruck und ein genügend niedriges Verbrennungsgeräusch selbst mit kleinen ölstrahlmengen erlangt werden.

Bei der vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird die Temperatur der Brennraumwand 4a in nahezu derselben Weise wie bei der ersten bis dritten Ausführungsform gesteuert. Im niedrigen Motorlastbereich wird auf Grund der wärmeisolierenden Struktur der Wand 4a deren Temperatur über einem

bestimmten Pegel gehalten. Im hohen Lastbereich wird die Menge des kühlenden ölstrahls entsprechend den Motordrehzahlen und -lasten durch Bewegen und Drehen des Ventilkolbens 54 eingeregelt, so daß die Temperatur der Brennraumwand 4a auf einem optimalen Wert gehalten wird. Auf diese Weise wird der maximale Verbrennungsdruck Pmax im hohen Motorlastbereich unter einem vorbestimmten Pegel gehalten, so daß die Verbrennungsgeräusche niedrig bleiben und das Motorgewicht vermindert werden kann. Auch wird die Takt-für-Takt-Änderung in der Verbrennungsgeschwindigkeit klein gehalten, so daß die Verbrennungsdauer kurz und die Kraftstoffausnutzung hoch gehalten werden können.

Wenngleich hier einige bevorzugte Ausführungsformen für die Erfindung beschrieben wurden, so ist klar, daß dem Fachmann bei Kenntnis der offenbarten Lehre Abwandlungen und Abänderungen nahegelegt sind, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen sind.

Claims

Patentansprüche

( 1.;Steuerungssystem für die Kraftstoff-Verdampfungsgeschwindigkeit bei einem Ottomotor mit direkter Kraftstoff-Einspritzung mit einem Zylinder (2), mit einem im Zylinder hin- und herbewegbaren Kolben (1), mit einer im Kolbenkopf angeordneten konkaven, einen Brennraum (4, 30, 4o) abgrenzenden Wand (4a, 30a, 4oa), die eine dein Brennraum zugewandte Frontfläche (8) sowie eine dem Inneren des Kolbens zugewandte Rückfläche (9) hat, mit einer Einrichtung (7) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum sowie auf die Frontfläche der Brennraumwand (4a, 30a, 40a) derart, daß der an der Brennraumwand anhaftende Kraftstoff durch die Hitze dieser Wand zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemischs verdampft, und mit einer Einrichtung (6o) zur Erzeugung eines das Gasgemisch entzündenden Funkens, gekennzeichnet

- durch einen dem Motor öl zuführenden ölkanal (12),

- durch eine mit dem ölkanal verbundene, auf die Rückfläche (9) der Brennraumwand (4a, 30a, 40a), die eine wärmeisolierende Struktur aufweist, einen kühlenden Ölstrahl (11) spritzende, unterhalb des Kolbens (1) angeordnete Düseneinrichtung (10),

- durch ein in dem ölkanal (12) stromoberhalb der Düseneinrichtung angeordnetes, einen Durchflußquerschnitt des ölkanals einregelndes Ventilelement (14),

- durch ein Rechengerät (17), das in Übereinstimmung mit wenigstens einem Motorbetriebsparameter auf der Grundlage einer in einem Speicher des Rechengeräts gespeicherten Map zur Erlangung einer optimalen Brennraumwandtemperatur einen optimalen Ölkanal-Durchflußquerschnitt berechnet und seinen Ausgang an das Ventilelement (14) zu dessen Einstellung für eine Einregelung des Ölkanal-Durchflußquerschnittss auf den berechneten optimalen Durchflußquerschnitt abgibt, und

- durch eine Fühleinrichtung (18, 19, 20,21), die den Motorbetriebsparameter erfaßt sowie ein darauf bezogenes Signal als Eingang an das Rechengerät (17) liefert.
2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorbetriebsparameter wenigstens entweder die Motordrehzahl oder die Motorlast ist.
3. Steuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Map eine Beziehung zwischen Motorlasten und optimalen Durchtrittsquerschnitten des Ölkanals (12) bei verschiedenen Motordrehzahlen festsetzt.
4. Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem System ferner ein Motorkühlwassertemperaturfühler (21) und Motoröltemperaturfühler (20) zur Ermittlung des Warmlaufzustands des Motors enthalten sind.
5. Steuerungssystem nach Anspruch 4, dadruch gekennzeichnet, daß das System eine das Rechengerät (17), wenn der Kühlwasser- sowie der Öltemperaturfühler (21, 20) einen hohen Wert für die Kühlwasser- sowie öltemperatur anzeigen, in Betrieb und, wenn die beiden Fühler (21, 20) einen niedrigen Wert für die Kühlwasser- sowie öltemperatur anzeigen, außer Betrieb setzende Einrichtung und eine bei einem niedrigen Wert der Kühlwasser- sowie öltemperatur den Durchflußquerschnitt des ölkanals (12) durch das Ventilelement (14) auf nahezu Null einstellende Einrichtung umfaßt.
6. Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Struktur eine die Brennraumwand (4a) mit dem Kolbenkörper (5) an einer Umfangsflache (6) der Brennraumwand verbindende Einrichtung umfaßt, wobei die Umfangsflache einen im Vergleich mit dem Flächeninhalt der Brennraumwand-Rückfläche (9), auf die der kühlende ölstrahl (11) trifft, kleinen Wärmeübergangsflächenbereich aufweist.
7. Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Struktur eine die Brennraumwand (40a) mit dem Kolbenkörper (41) verbindende, aus einem wärmeisolierenden Material gefertigte Verbindungsfläche (42) umfaßt.
8. Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumwand (30a) aus einem wärmeisolierenden Material gebildet ist.
9. Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (14) ein den Durchflußquerschnitt des ölkanals (12) veränderndes Magnetventil ist.
10. Steuerungssystem für die Kraftstoff-Verdampfungsgeschwindigkeit bei einem Ottomotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung mit einem Zylinder (2), mit einem im Zylinder hin- und herbewegbaren Kolben (1), mit einer im Kolbenkopf angeordneten konkaven, einen Brennraum (4) abgrenzenden Wand (4a), die eine dem Brennraum zugewandte Frontfläche (8) sowie eine dem Inneren des Kolben zugewandte Rückfläche (9) hat, mit einer Einrichtung (7) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum sowie auf die Frontfläche der Brennraumwand (4a) derart, daß der an der Brennraumwand anhaftende Kraftstoff durch die Hitze dieser Wand zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemischs verdampft, und mit einer Einrichtung (60) zur Erzeugung eines das Gasgemisch entzündenden Funkens, gekennzeichnet

- durch einen dem Motor öl zuführenden ölkanal (52),

- durch eine mit dem ölkanal verbundene, auf die Rückfläche (9) der Brennraumwand (4a) einen kühlenden Ölstrahl (50) spritzende, unterhalb des Kolbens (1) angeordnete Düseneinrichtung (10),

- durch einen in dem ölkanal (52) verschiebbar sowie drehbar angeordneten Ventilkolben (54), der durch die Kraft des auf seine stromaufwärtige Stirnfläche drückenden Öls und durch die Kraft einer den Ventilkolben stromaufwärts beaufschlagenden Feder (53) im Gleichgewicht gehalten und entsprechend dem mit den Motordrehzahlen sich erhöhenden Öldruck (58) stromabwärts verlagert wird,

- durch eine Umgehungsleitung (55), die eine erste, im Ölkanal (52) stromauf des Ventilkolbens (54) und eine zweite, im mittigen Bereich des Ventilkolbens befindliche öffnung im ölkanal miteinander verbindet,

- durch eine in der Außenoberfläche des Ventilkolbens ausgebildete ölkehle (56), die die zweite öffnung des

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Umgehungskanals (55) mit dem stromab vom Ventilkolben befindlichen Teil des ölkanals verbindet, und - durch eine den Ventilkolben (54) an ein Gaspedal (57) koppelnde Verbindungseinrichtung zur Drehung des Ventilkolbens in Übereinstimmung mit einer Bewegung des Gaspedals.
11. Steuerungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumwand (4a) mit dem Körper (5) des Kolbens (1) an einer Umfangsflache (6) verbunden ist, die einen im Vergleich mit dem Flächeninhalt der Brennraumwand-Rückfläche (9), auf die der kühlende ölstrahl (11) trifft, kleinen Wärmeübergangsflächenbereich aufweist.
12. Steuerungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsfläche (42) der Brennraumwand (40a) mit einem Körper (41) des Kolbens (1) aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt ist.
13. Steuerungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumwand (30a) aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt ist.