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Dokumentenidentifikation DE10037528A1 01.03.2001
Titel Funkenzündungsvorrichtung für Direkteinspritzungsmotoren
Anmelder DENSO CORPORATION, Kariya, Aichi, JP
Erfinder Kato, Takehiko, Nishio, Aichi, JP;
Yoshinaga, Tohru, Kariya, Aichi, JP;
Yorita, Hiroshi, Nishio, Aichi, JP;
Okabe, Shinichi, Nishio, Aichi, JP;
Nakashima, Tatsushi, Nishio, Aichi, JP;
Miwa, Tetsuya, Nishio, Aichi, JP
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 01.08.2000
DE-Aktenzeichen 10037528
Offenlegungstag 01.03.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2001
IPC-Hauptklasse F02P 15/10
Zusammenfassung Bei Betrieb eines Direkteinspritzungsmotors (10) stellt eine Zündvorrichtung (30) außer der Einstellung einer Drosselöffnung, eines Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, einer Kraftstoffeinspritzdauer und eines Zündzeitpunkts für den Bereich einer Nicht-Schichtladungsverbrennung mittels einer Steuerungstabelle im Bereich einer Schichtladungsverbrennung eine Gesamtentladungsdauer, jede Entladungsdauer und jede Aussetzdauer für eine Mehrfachentladung ein. Nach Kraftstoffeinspritzung werden mit einer bestimmten zeitlichen Zündsteuerung Zündsignale mit einer Vielzahl von Anstiegen und Abfällen ausgegeben. Auf diese Weise wird von der Zündkerze (19) eine Vielzahl von Funken erzeugt, die innerhalb des Betriebsbereichs zur Schichtladungsverbrennung im Ansprechen auf Konzentrationsänderungen des versprühten Kraftstoffs eine zuverlässige Zündung gewährleisten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Funkentzündungsvorrichtung zur Verbesserung der Kraftstoffzündvermögens bei einem Direkteinspritzungsverbrennungsmotor, bei dem Kraftstoff direkt in Verbrennungskammern eingespritzt wird.

Eine Funkentzündungsvorrichtung, die dazu imstande ist, unter Verwendung eines Mehrfachentladungssystems das Kraftstoffzündvermögen zu verbessern, ist bereits bekannt. Bei diesem System wird während eines Verbrennungszyklus des Verbrennungsmotors zweimal oder mehrmals aussetzend ein Funke entladen.

In jüngeren Direkteinspritzungsmotoren wird beim Motorbetrieb unter Niedriglast eine Schichtladungsverbrennung durchgeführt. Und zwar wird eine von einer Einspritzeinrichtung (einem Einspritzventil) aus eingespritzte Schichtmischung in Form von versprühten Kraftstoffansammlungen entlang der Kontur einer Verbrennungskammer bewegt, wodurch sich unter Ausbildung eines Einlassluftstroms an der Oberseite des Kolbens um eine Zündkerze herum ein brennbares Gemisch bildet. Es ist allgemein bekannt, dass bei der Schichtladungsverbrennung das brennbare Gemisch auch innerhalb des Bereichs der brennbaren Gemischkonzentration an dem Kerzenspalt einer Zündkerze Änderungen der Gemischkonzentration erfährt und die Zündzeit von den Betriebsbedingungen an diesem Zeitpunkt abhängt und dass sich die für die Zündung notwendige Entladungsenergie mit der Gemischkonzentration ändert.

Die für jeden Impuls während der Mehrfachentladung erforderliche Menge an Entladungsenergie ist jedoch nicht vollständig bekannt. Daher wird bei herkömmlichen Funkentzündungsvorrichtungen während der Mehrfachentladung auch im Fall von Änderungen des Schichtgemischs als Energiemenge für eine Einzelentladung eine gleichbleibende Entladungsenergiemenge zugeführt. Bei einem solchen herkömmlichen Verfahren wird jedoch auch bei einem sehr zündempfindlichen Gemisch eine große Menge an Entladungsenergie zugeführt, was bedeutet, dass überschüssige Entladungsenergie zugeführt wird. Dies führt zu einem erhöhten Verbrauch an elektrischer Energie durch das Zündsystem. Dadurch ist die Verwendung einer großen Zündspule erforderlich, wodurch der Einbau der Zündkerze in den Verbrennungsmotor erschwert wird. Darüber hinaus hat die erhöhte Entladungsenergiemenge eine nachteilige Wirkung auf den Verschleißwiderstand der Zündkerzenelektroden und auf Batterien, Lichtmaschine und Motorleistung.

Angesichts der oben beschriebenen Nachteile bei den bislang bekannten Funkentzündungsvorrichtungen ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Funkentzündungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande ist, den Verbrennungszustand zu verbessern, die Entladungsenergie zu steuern und die Vergrößerung der Zündspule zu beschränken, indem entsprechend den Betriebsbedingungen die jeweilige Entladungsenergiemenge geändert und entsprechend dem Luft-Kraftstoffgemisch die optimale Entladungsenergiemenge zugeführt wird.

Um bei einem Direkteinspritzungsmotor bei einem Teil oder bei sämtlichen Betriebsbedingungen zumindest bei Schichtladungsverbrennung eine Mehrfachentladung durchzuführen, wird erfindungsgemäß von einer Zündspule aus innerhalb kurzer Zeit mehr als einmal aussetzend eine hohe Spannung aufgebracht, um an einer Zündkerze mehr als einmal Funken zu erzeugen, um dadurch im Ansprechen auf Änderungen der Konzentration des zugeführten versprühten Kraftstoffs eine zuverlässige Zündung zu gewährleisten. Unter anderen Betriebsbedingungen als der Schichtladungsverbrennung und unter den Betriebsbedingungen der Schichtladungsverbrennung, bei denen keine Mehrfachentladung erfolgt, wird eine zuverlässige Zündung des versprühten Kraftstoffs dadurch erreicht, dass an den Zündkerzenelektroden mindestens ein Funke erzeugt wird. Die zuverlässige Zündung des versprühten Kraftstoffs wird also dadurch gesichert, dass der versprühte Kraftstoff mehrmals unter einer vorbestimmten zeitlichen Steuerung, die für einen Teil oder sämtliche Betriebsbedingungen der Schichtladungsverbrennung bei dem Direkteinspritzungsmotor und auch für andere Betriebsbedingungen geeignet ist, mit Funken beaufschlagt wird.

Da die Dauer der aussetzenden Mehrfachentladung vorzugsweise so eingestellt ist, dass sie allmählich zunimmt, kann auch unmittelbar vor dem Ende der Mehrfachentladung die Entladungsenergie für die Zündung des versprühten Kraftstoffs angespeichert werden.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erfolgt nun eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Funkentzündungsvorrichtung. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Direkteinspritzungsmotors, bei dem ein Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Funkentzündungsvorrichtung Anwendung findet;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der Form des Vorderendes der in Fig. 1 gezeigten Zündkerze.

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm, das eine Verarbeitungsroutine der Kraftstoffeinspritzungs- und Zündzeitpunktsteuerung durch eine ECU zeigt, die bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang mit dem Direkteinspritzungsmotor verwendet wird;

Fig. 4 eine Tabelle, um bei diesem Ausführungsbeispiel auf der Grundlage von Motorgeschwindigkeit und Gaspedalstellung die Durchführung einer Schichtladungsverbrennung oder einer Nicht-Schichtladungsverbrennung festzulegen;

Fig. 5 eine zeitliche Darstellung, die bei diesem Ausführungsbeispiel den Verlauf von Zündsignal, Sekundärspannung, Sekundärstrom und Entladungsenergiedichte während eines Verbrennungsbetriebs mit einem Schichtgemisch zeigt;

Fig. 6 eine zeitliche Darstellung, die eine Änderung des Verlaufs von Zündsignal, Sekundärspannung, Sekundärstrom und Entladungsenergiedichte bei Verbrennung eines Schichtgemischs bei einem der Ausführungsbeispiele zeigt;

Fig. 7 ein Kennliniendiagramm, das beim Ausführungsbeispiel innerhalb des Bereichs der Aufbringung einer Mehrfachentladung die Länge der Entladungsdauer unter Verwendung von Motorgeschwindigkeit und erforderlichem Drehmoment als Parameter zeigt;

Fig. 8 ein Kennliniendiagramm, das beim Ausführungsbeispiel innerhalb des Bereichs der Aufbringung einer Mehrfachentladung die Länge der Aussetzdauer der Entladung unter Verwendung von Motorgeschwindigkeit und erforderlichem Drehmoment als Parameter zeigt;

Fig. 9 eine zeitliche Darstellung, die eine weitere Änderung des Verlaufs von Zündsignal, Sekundärspannung, Sekundärstrom und Entladungsenergiedichte bei Verbrennung eines Schichtgemischs bei einem der Ausführungsbeispiele zeigt;

Fig. 10 eine zeitliche Darstellung, die beim Ausführungsbeispiel den Verlauf von Zündsignal, Sekundärspannung, Sekundärstrom und Entladungsenergiedichte zeigt, wenn der Kerzenspalt der Zündkerze innerhalb des Nicht-Schichtentladungsverbrennungsbereichs korrekt für eine Einzelentladung eingestellt ist;

Fig. 11 eine zeitliche Darstellung, die den Verlauf von Zündsignal, Sekundärspannung, Sekundärstrom und Entladungsenergiedichte zeigt, wenn der Kerzenspalt der Zündkerze weiter als der Kerzenspalt in Fig. 10 eingestellt ist;

Fig. 12 eine zeitliche Darstellung, die beim Ausführungsbeispiel den Verlauf von Zündsignal, Sekundärspannung, Sekundärstrom und Entladungsenergiedichte zeigt, wenn der Kerzenspalt der Zündkerze innerhalb des Schichtladungsverbrennungsbereich korrekt für eine Mehrfachentladung eingestellt ist;

Fig. 13 eine zeitliche Darstellung, die den Verlauf von Zündsignal, Sekundärspannung, Sekundärstrom und Entladungsenergiedichte zeigt, wenn der Kerzenspalt der Zündkerze weiter als der Kerzenspalt in Fig. 12 eingestellt ist;

die Fig. 14A und 14B Kennliniendiagramme, die beim Ausführungsbeispiel einen Zusammenhang zwischen dem Kerzenspalt der Zündkerze und dem Änderungsmaß der Entladungsenergiedichte zeigen;

die Fig. 15A und 15B Kennliniendiagramme, die einen Zusammenhang zwischen dem bei einem der Ausführungsbeispiele verwendeten Kerzenspalt der Zündkerze und der Entladungshaltedauer zeigen;

die Fig. 16A und 16B Kennliniendiagramme, die einen Zusammenhang zwischen dem bei einem der Ausführungsbeispiele verwendeten Kerzenspalt der Zündkerze und der wirksamen Entladungshaltefrequenz zeigen;

Fig. 17 ein Kennliniendiagramm, das den Zusammenhang zwischen dem beim Ausführungsbeispiel verwendeten Kerzenspalt der Zündkerze und der für die Zündung erforderlichen Entladungsenergiedichte pro Einheitslänge des Spalts zeigt;

Fig. 18 ein Kennliniendiagramm, das innerhalb des zündempfindlichen Bereichs als Parameter den bei einem der Ausführungsbeispiele verwendeten Mittelelektronendurchmesser und Kerzenabstand der Zündkerze zeigt; und

Fig. 19 ein Kennliniendiagramm, das innerhalb des Bereichs, in dem die zur Zündung erforderliche Entladungsenergiedichte erzielt wird, als Parameter den beim Ausführungsbeispiel verwendeten Mittelelektrodendurchmesser und Kerzenspalt der Zündkerze zeigt.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Direkteinspritzungsmotors als ein Verbrennungsmotor, bei dem das im Folgenden beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel einer Funkentzündungsvorrichtung Anwendung findet.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Form des Vorderendes einer in Fig. 1 gezeigten Zündkerze.

Gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Einlassluftkanal 12 mit einem Zylinderkopf 11 eines Direkteinspritzungsmotors (Direkteinspritzungs-Benzinmotors) verbunden, wobei in jedem Zylinder Kraftstoff direkt eingespritzt wird. Auf der stromabwärtigen Seite des Einlassluftkanals 12 ist eine Einlassöffnung 13 ausgebildet, in der sich ein Einlassventil 14 befindet. Auf der stromaufwärtigen Seite des Einlassluftkanals 12 befindet sich ein Drosselventil 15. Das Maß der Drosselöffnung TA des Drosselventils 15 wird durch elektrischen Strom reguliert, der durch eine nachstehend beschriebene ECU (elektronische Steuerungseinheit) 30 entsprechend dem Wert einer Gaspedalstellung AP gesteuert wird, die von einem Gaspedalstellungsfühler 42 zugeführt wird, der das Maß erfasst, mit dem ein Gaspedal 41 niedergedrückt wird, und wird durch einen Drosselöffnungsfühler 16 erfasst. Die durch das Drosselventil 15 eingelassene Luft strömt bei Öffnung des Ventils 14 durch die Einlassöffnung 13 und wird der durch den Zylinderkopf 11 und einen Kolben 17 ausgebildeten Verbrennungskammer 18 zugeführt.

In dem oberen Abschnitt des Zylinderkopfs 11 des Direkteinspritzungsmotors 10 befindet sich eine der Verbrennungskammer 18 zugewandte Zündkerze 19. Darüber hinaus ist an der Seite des Zylinderkopfs 11 des Direkteinspritzungsmotors 10 eine Einspritzeinrichtung 21 angebracht. In die Verbrennungskammer 18 ragt eine Einspritzdüse 21a hinein. Der Einspritzeinrichtung 21 wird Hochdruckkraftstoff zugeführt, der von einer (nicht gezeigten) Hochdruckkraftstoffpumpe unter Druck gesetzt wurde, und dieser wird zum Ventilöffnungszeitpunkt der Einspritzeinrichtung 21 direkt in die Verbrennungskammer 18 eingespritzt. Der direkt in die Verbrennungskammer 18 eingespritzte Hochdruckkraftstoff mischt sich mit Luft, die durch das Einlassventil 14 eingebracht wurde. Das Luft-Kraftstoffgemisch wird zur Verbrennung durch einen Funken entzündet, der an dem Zündkerzenspalt G zwischen einer Mittelelektrode 19a und einer Masseelektrode 19b der Zündkerze 19 erzeugt wird.

An den Zylinderkopf 11 des Direkteinspritzungsmotors 10 ist ein Abgaskanal 23 angeschlossen. Dieser Abgaskanal 22 ist mit einer Auslassöffnung 23 versehen, in der sich ein Auslassventil 24 befindet. Bei Öffnung des Auslassventils 24 werden Abgase in der Verbrennungskammer 18 durch die Auslassöffnung 23 hindurch zum Abgaskanal 23 hin ausgelassen.

An der Mittelelektrode 19a der Zündkerze 19 ist ein Ende einer Sekundärwicklung 25b einer Zündspule 25 angeschlossen. Eine Primärwicklung 25a der Zündspule 25 ist an einem Ende an einer Batterie 26 und an dem anderen Ende an der Kollektorseite eines Leistungstransistors 27 angeschlossen. Bei Betrieb des Direkteinspritzungsmotors 10 wird der Leistungstransistor 27 auf der Grundlage eines Zündsignals (Impulssignals) ein- und ausgeschaltet, das von der ECU 30 aus an die Basisseite des Leistungstransistors 27 ausgegeben wird, wodurch der Kreis des von der Batterie 26 in die Primärwicklung 25a der Zündspule 25 fließenden Primärstroms 11 geschlossen und unterbrochen wird. Mit abfallendem Zündsignal IGt wird der Leistungstransistor 20 dann ausgeschaltet, wodurch der in die Primärwicklung 25a der Zündspule 25 fließende Primärstrom 11 unterbrochen wird, sodass auf der Primärseite im Ansprechen auf den Primärstrom I1 eine elektromotorische Gegenkraft erzeugt wird. Durch einen durch die elektromagnetische Gegenkraft induzierten Sekundärstrom I2 wird eine Sekundärspannung V2 erzeugt. Der Sekundärstrom I2 fließt auf der Seite der Sekundärwicklung 25b der Zündspule 25. Die dem Wicklungsverhältnis der Primärwicklung 25a und der Sekundärwicklung 25b der Zündspule 25 entsprechende Sekundärspannung V2 wird an die Zündkerze 19 angelegt, um in dem Kerzenspalt G einen Funken zu erzeugen.

Die ECU 30 ist eine logische Informationsschaltung, die eine CPU 31 als eine bekannte zentrale Verarbeitungseinheit, einen ein Steuerungsprogramm und eine Steuerungstabelle speichernden Festspeicher (ROM) 32, einen verschiedene Daten speichernden Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 33, einen Sicherungsspeicher (B/U-RAM) 34, eine Eingangs-Ausgangsschaltung (I/O- Schaltung) und eine diese Einrichtungen verbindende Busleitung 36 umfasst. Es werden verschiedene Fühlersignale eingegeben, wie etwa eine Gaspedalposition AP [°] von dem Gaspedalpositionsfühler 42, eine Drosselöffnung TA [°] von dem Drosselöffnungsfühler 16, ein Kurbelwinkel θ1 [°CA] von einem an einer Kurbelwelle 20 des Direkteinspritzungsmotors 10 angebrachten Kurbelwinkelfühler 28 und ein Nockenwinkel θ2 [°CA] von einem an einer (nicht gezeigten) Nockenwelle angebrachten Nockenwinkelfühler 29.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird als nächstes die in dem Ablaufdiagramm von Fig. 3 gezeigte Bearbeitungsroutine der Kraftstoffeinspritzungs- und Zündzeitpunktsteuerung des Direkteinspritzungsmotors durch die CPU 31 der ECU 30 beschrieben, die bei dem Ausführungsbeispiel der Funkentzündungsvorrichtung Anwendung findet. Fig. 4 zeigt eine Tabelle, mit deren Hilfe festgelegt wird, ob die Gemischverbrennung innerhalb des Schichtladungsverbrennungsbereichs oder die Nicht-Schichtladungsverbrennung durchzuführen ist. Die Steuerungsroutine für den Kraftstoffeinspritz-/Zündzeitpunkt wird durch die CPU 31 jedes Mal zu einer gegebenen Zeit wiederholt.

In Schritt S101 in Fig. 3 wird zunächst auf der Grundlage des von dem Kurbelwinkelfühler 28 zugeführten Kurbelwinkels θ1 eine Motorgeschwindigkeit Ne eingelesen. In Schritt S102 wird als nächstes von dem Gaspedalpositionsfühler 42 als Motorlast die Gaspedalposition AP eingelesen. In Schritt S103 wird dann festgelegt, ob die Gemischverbrennung innerhalb des Schichtladungsverbrennungsbereichs durchgeführt wird, der einen Gemischverbrennungsbereich für eine geringe Motorlast darstellt. Wenn die erforderlichen Bedingungen in Schritt S103 festgestellt wurden, d. h. wenn innerhalb des wie in Fig. 4 gezeigten durch die Motorgeschwindigkeit Ne und die Gaspedalstellung AP bestimmten Schichtladungsverbrennungsbereichs, in dem der Mehrfachentladungszustand Anwendung finden kann, die Motorlast gering ist, fährt die Routine mit Schritt S104 fort. In Schritt S104 wird unter Verwendung von Parametern wie etwa der Motorgeschwindigkeit Ne und der Gaspedalstellung AP mittels einer (nicht gezeigten) in dem ROM 32 vorgespeicherten Steuerungstabelle die Drosselöffnung TA, der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IJt, die Kraftstoffeinspritzdauer IJp, der Zündzeitpunkt IGt, die Gesamtentladungsdauer Tt vom Beginn bis zum Ende der Mehrfachentladung, jede Entladungsdauer TL und jede Aussetzdauer TH berechnet.

Wenn dagegen die erforderlichen Bedingungen in Schritt S103 nicht festgestellt wurden, d. h. wenn die Motorlast hoch ist und wie in Fig. 4 gezeigt in dem durch die Motorgeschwindigkeit Ne und die Gaspedalposition AP festgelegten Verbrennungsbereich außerhalb der Bedingung, bei der innerhalb des Schichtladungsverbrennungsbereichs eine Mehrfachentladung Anwendung findet, beziehungsweise innerhalb des Nicht-Schichtladungsverbrennungsbereichs liegt, fährt die Routine mit Schritt S105 fort. In Schritt S105 wird auf der Grundlage von Parametern wie etwa der Motorgeschwindigkeit NE und der Gaspedalposition AP unter Verwendung der (nicht gezeigten) in dem ROM 32 vorgespeicherten Steuerungstabelle die Drosselöffnung TA, der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt IJt, die Kraftstoffeinspritzdauer IJp und der Zündzeitpunkt IGt berechnet. Nach Schritt S104 oder Schritt S105 fährt die Routine anschließend mit Schritt S106 fort, in dem der derzeitige Kurbelwinkel θ1 [°CA] von dem Kurbelwinkelfühler 28 eingelesen wird. In Schritt S107 wird als nächstes der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bestimmt. Sofern in Schritt S107 die erforderlichen Bedingungen nicht festgestellt wurden, d. h. wenn kein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bestimmt wurde, springt die Routine zu Schritt S106 zurück, in dem der gleiche Vorgang wiederholt wird.

Nach Feststellung der erforderlichen Bedingungen in Schritt S107, d. h. wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bestimmt wurde, fährt die Verarbeitung mit Schritt S106 fort, in dem beruhend auf dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und der Kraftstoffeinspritzdauer, die in Schritt S104 oder Schritt S105 berechnet wurden, ein Einspritzsignal zu der Einspritzeinrichtung 21 ausgegeben wird. Anschließend wird in Schritt S109 der derzeitige Kurbelwinkel θ1 [°CA] von dem Kurbelwinkelfühler 28 eingelesen. Dann wird in Schritt S110 der Zündzeitpunkt ausgegeben. Für den Fall, dass die erforderlichen Bedingungen nicht festgestellt wurden, d. h. falls der Zündzeitpunkt verfrüht ist, springt die Verarbeitung zu Schritt S109 zurück, in dem der gleiche Vorgang wiederholt wird. Wenn die erforderlichen Bedingungen in Schritt S110 festgestellt wurden, d. h. im Fall des in Schritt S104 oder Schritt S105 berechneten Zündzeitpunkts, fährt die Routine mit Schritt S111 fort. Wenn der Bereich für die Schichtladungsverbrennung vorliegt, wird zu diesem Zeitpunkt an einen Leistungstransistor 27 auf der Grundlage der Gesamtentladungsdauer, jeder Entladungsdauer, und jeder Aussetzdauer, die in Schritt S104 berechnet wurden, das Zündsignal IGt zur Mehrfachentladung ausgegeben. Wenn zu diesem Zeitpunkt dagegen der Bereich der Nicht-Schichtladungsverbrennung vorliegt, wird an den Leistungstransistor 27 das Zündsignal IGt für eine Einzelentladung ausgegeben, womit diese Routine abgeschlossen ist.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die zeitliche Darstellung in Fig. 5 entsprechend Schritt S104 in der Steuerungsroutine für den Kraftstoffeinspitz-/ Zündzeitpunkt die Einstellung der Gesamtentladungsdauer, jeder Entladungsdauer und jeder Aussetzentladungsdauer beschrieben. Fig. 5 zeigt den Verlauf des Zündsignals IGt, der Sekundärspannung V2, des Sekundärstroms 12 und der Entladungsenergiedichte dE während der Mehrfachentladung innerhalb des Schichtladungsverbrennungsbereichs.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wird während einer Mehrfachentladung von der ECU 30 an den Leistungstransistor 27 das Zündsignal IGt ausgegeben. Der Leistungstransistor 27 wird während der Dauer, in dem sich das Zündsignal IGt auf einem hohen Pegel befindet, eingeschaltet, wobei der Primärstrom I1 von der Batterie 26 zu der Primärwicklung 25a der Zündspule 25 fließt, wodurch die Zündenergie gespeichert wird. Wenn das Zündsignal IGt dann auf einen niedrigen Pegel fällt, wird der Leistungstransistor 27 ausgeschaltet, was der in der Zündspule 25 gespeicherten Zündenergie erlaubt, über die Sekundärwicklung 25b entladen zu werden. Auf diese Weise fließt der Sekundärstrom 12 unter Aufbringung der hohen Sekundärspannung V2 zu der Zündkerze 19.

Je länger die Aussetzdauer TH1, . . ., THm ist, während der das in Fig. 5 gezeigte Zündsignal IGt mit hohem Pegel zugeführt wird, um so größer ist daher die während der Entladungsdauer TL1, . . ., TLn erzielbare Menge an Entladungsenergie, die die Entladungsenergiedichte dE erhöht. Infolge dieser erhöhten Entladungsenergiedichte dE ist es möglich, eine lang andauernde Einzelentladung einzustellen. Die Gesamtentladungsdauer Tt zur Mehrfachentladung wird dabei auf maximal 3 [ms] und die Aussetzdauer TH2, . . . THm auf maximal 1 [ms] eingestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Entladung während der Gesamtentladungsdauer Tt mit gleichbleibender Entladungsenergiedichte pro Entladung. Es ist jedoch zu beachten, dass die Aussetzdauer TH1 unmittelbar vor der Gesamtentladungsdauer Tt oder die letzte Aussetzdauer THm so lang eingestellt werden kann, dass das Gemisch während des Anfangsentladungsabschnitts oder unmittelbar vor Entladungsende mit hoher Entladungsenergiedichte beaufschlagt wird. Wenn das Gemisch während des Anfangsentladungsabschnitts mit hoher Energiedichte beaufschlagt wird, tritt mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Zündung während der Anfangsentladungsdauer TL1 in der Gesamtentladungsdauer Tt auf, was zu einer geringeren Änderung des Zündzeitpunkts und demnach zu einem stabileren Verbrennungszustand führt.

Als nächstes wird ein Vorteil erläutert, der sich durch eine hohe Entladungsenergiedichte unmittelbar vor dem Entladungsende ergibt.

Wenn der Direkteinspritzungsmotor 1 innerhalb des Schichtladungsverbrennungsbereich betrieben wird, tendiert das Gemisch um den Kerzenspalt G der Zündkerze 19 mit zunehmender Zeit dazu, mager zu werden und daher schwer entzündlich zu sein. Um das Gemisch zu entzünden, das während des Anfangsabschnitts der Mehrfachentzündung nicht gezündet werden konnte, ist daher eine höhere Entladungsenergiedichte erforderlich.

Laut experimentellen Untersuchungen lag die minimale zur Zündung erforderliche Entladungsenergiedichte, die jedoch von den Betriebsbedingungen abhängig ist, bei 18 [mJ/ms] und betrug die zur Zündung erforderliche Länge der Entladungsdauer 0,05 [ms]. Die Aussetzdauer TH1, . . ., THn wird daher durch die Betriebsbedingungen des Direkteinspritzungsmotors 1 (Motorgeschwindigkeit Ne, Gaspedalstellung AP usw.) bestimmt.

Es konnte nachgewiesen werden, dass eine 3 [ms] lange kontinuierliche Entladung es ermöglicht, das Gemisch unter jeder Betriebsbedingung des Direkteinspritzungsmotors 1 zuverlässig zu zünden. Bei einigen als Beispiel verwendeten Direkteinspritzungsmotoren war es jedoch erforderlich, die Entladungsdauer und die Aussetzentladungsdauer, die von den Betriebsbedingungen des Motors abhängen, zu steuern. Unter den Betriebsbedingungen Niedriglast und geringe Geschwindigkeit wird beispielsweise während einer Mehrfachentladung mit einer Gesamtentladungsdauer Tt von 3 [ms], einer Entladungsenergiedichte dE von 18 [mJ/ms] pro Einzelentladung, einer Entladungsdauer von 0,05 [ms] und einer Aussetzentladungsdauer von 1 [ms] oder weniger nicht die gleiche Wirkung wie im Fall der lang andauernden kontinuierlichen Entladung erzielt. Auch unter den Betriebsbedingungen erhöhte Motorlast und -geschwindigkeit betrug die Entladungsdauer etwa 0,5 [ms] und die Aussetzentladungsdauer etwa 0,4 [ms].

Gleichzeitig konnte bei einer Entladungsenergiedichte dE von 30 [mJ/ms] oder mehr, die für eine Einzelfunkenentladung erforderlich ist, keine höhere Zündwahrscheinlichkeit erzielt werden. Daraus ergibt sich, dass die für die Mehrfachentladung einzustellende Entladungsenergiedichte dE auf 30 [mJ/ms] oder mehr eingestellt werden sollte.

Bei dem besprochenen Ausführungsbeispiel wird daher, wenn die Motorlast des Direkteinspritzungsmotors unter einem Teil oder sämtlichen Betriebsbedingungen der Schichtladungsverbrennung niedrig ist, an eine Zündspule aussetzend eine hohe Spannung angelegt, um innerhalb einer kurzen Zeitdauer eine Mehrfachentladung durchzuführen, sodass an der Zündkerze 19 dreimal oder mehrmals Funken erzeugt werden, wodurch ungeachtet von Temperaturänderungen des versprühten Kraftstoffs eine zuverlässige Zündung ermöglicht wird. Des Weiteren wird unter anderen Betriebsbedingungen als den Betriebsbedingungen für die Schichtladungsverbrennung von der Zündspule aus die hohe Spannung einmal angelegt, um eine Einzelentladung durchzuführen, d. h. um an der Zündkerze 19 einen Einzelfunken zu erzeugen, wodurch der versprühte Kraftstoff zuverlässig gezündet wird. Das heißt, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einer geeigneten Anzahl von Malen bei einem Teil oder bei sämtlichen Betriebsbedingungen für die Schichtladungsverbrennung oder für andere Betriebsbedingungen des Direkteinspritzungsmotors 10 Funken an den versprühten Kraftstoff gelangen, wodurch der versprühte Kraftstoff zuverlässig gezündet werden kann.

Die ECU 30 berechnet einen Wechsel zwischen der Mehrfachentladung und der Einzelentladung, die Gesamtentladungsdauer Tt vom Beginn bis zum Ende der Mehrfachentladung, jede Entladungsdauer TL1, . . ., TLn und jede Aussetzdauer TH2, . . ., THn auf der Grundlage der in dem ROM 32 gespeicherten Steuerungstabelle, die für jede Betriebsbedingung des Direkteinspritzungsmotors 10 voreingestellt ist. Das heißt, dass unter Bezugnahme auf die Betriebsbedingungen des Direkteinspritzungsmotors 10 als Parameter die in dem ROM gespeicherte Steuerungstabelle zur Berechnung der Gesamtentladungsdauer, jeder Entladungsdauer und jeder Aussetzdauer verwendet wird, die für einen Wechsel zwischen einer Mehrfachentladung für eine Schichtladungsverbrennung und einer Einzelentladung für andere Betriebsbedingungen des Motors und auch für die Wiederholung des Ansteigens und Fallens des bei der Mehrfachentladung einen Steuerungsimpuls bildenden Zündsignals IGt erforderlich sind. Indem auf diese Weise die vorgespeicherte Steuerungstabelle verwendet wird, kann der Wechsel der Betriebsbedingungen zur Gemischverbrennung schnell und korrekt stattfinden. Darüber hinaus können zur Mehrfachentladung die Gesamtentladungsdauer, jede Entladungsdauer und jede Aussetzentladungsdauer augenblicklich eingestellt werden, wodurch eine korrekte Zündungssteuerung und demnach eine zufriedenstellende Zündung ermöglicht werden.

Bei dem besprochenen Ausführungsbeispiel ist die Gesamtentladungsdauer Tt bei Mehrfachentladung entsprechend den Betriebsbedingungen des Direkteinspritzmotors 10innerhalb eines Bereichs von 1,0 bis 2,0 [ms] eingestellt. Es ist daher möglich, bei Mehrfachentladung ungeachtet einer Änderung der zeitlichen Gemischbildung und einer Änderung der Gemischkonzentration zur Zündung ausreichend Entladungsenergie zuzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, bei dem Zündsystem den Verbrauch an elektrischer Energie zu senken.

Des Weiteren wird bei Mehrfachentladung entsprechend den Betriebsbedingungen des Direkteinspritzungsmotors 10 jede Entladungsdauer TL1, . . ., TLn innerhalb eines Bereichs von 0,05 bis 0,5 [ms] eingestellt, wodurch bei Mehrfachentladungsbetrieb bei jeder Entladung eine korrekte Steuerung der Entladungsenergiemenge ermöglicht wird.

Entsprechend den Betriebsbedingungen des Direkteinspritzungsmotors 10 ist bei Mehrfachentladung jede Aussetzdauer TH2, . . . THn innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1,0 [ms] eingestellt, wodurch bei Mehrfachentladung jedes Mal eine korrekte Steuerung der Entladungsenergiemengen ermöglicht wird.

Außerdem wird bei Mehrfachentladungsbetrieb die Entladungsenergiedichte dE während jeder Entladungsdauer TL1, . . ., TLn der Gesamtentladungsdauer Tt auf 18 [mJ/ms] oder mehr eingestellt, was entsprechend den Betriebsbedingungen des Direkteinspritzmotors 10 die Untergrenze zum Zünden des versprühten Kraftstoffs durch die Zündkerzen darstellt. Es ist daher möglich, unter den Betriebsbedingungen einer Schichtladungsverbrennung einen Funken zum Zünden des Kraftstoffs zu erzeugen und gleichzeitig in dem Zündsystem den Verbrauch an elektrischer Energie zu senken.

Die ECU 30 wird so betrieben, dass sie den Kreis des Primärstroms I1 der Zündspule 25 schließt und unterbricht, wodurch an dem Kerzenspalt G der Zündkerze 19 ein Funke erzeugt wird, um so eine Mehrfachentladung durchzuführen. Indem auf diese Weise bei einem Verbrennungszyklus des Direkteinspritzungsmotors 10 in der Nähe des oberen Totpunkts des Verdichtungshubs eine Mehrfachentladung erfolgt, wird im Ansprechen auf die Änderungen der Gemischkonzentration des versprühten Kraftstoffs eine zuverlässige Zündung erzielt.

Eine korrekte Steuerung der Entladungsenergiemenge pro Entladung lässt sich, wie in Fig. 6 gezeigt ist, mit einer durch Mehrfachentladung erfolgenden kontinuierlichen Entladung sicherstellen. Als kontinuierliche Entladung wird dabei eine Entladung angesehen und gezählt, die während einer Aussetzentladungsdauer der Mehrfachentladung stattfindet, wenn die Entladungsenergiedichte dE während dieser Dauer weniger als 18 [mJ/ms] beträgt. Das bedeutet, dass bei einer wie in Fig. 6 durch die schraffierten Linien angegebenen Entladungsenergiedichte dE unterhalb von 18 [mJ/ms] die Entladungsdauer innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1,0 [ms] eingestellt sein sollte.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel ist zu beachten, dass jede Entladungsdauer TL und die Aussetzdauer TH auf verschiedene Längen eingestellt werden können. Beispielsweise kann die Länge der Aussetzdauer TH2, . . . ., THn in Beziehung zu der Entladungsdauer TL1, . . ., TLn eingestellt werden, sodass bei der Mehrfachentladung die Entladungsenergiemenge pro Einheitszeit [ms] während des Anfangsentladungsabschnitts oder unmittelbar vor dem Entladungsende 30 [mJ] oder mehr und die Entladungsenergiemenge pro Einheitszeit [ms] während des mittleren Entladungsabschnitts 18 [mJ] oder mehr beträgt.

Dabei werden, wie beispielsweise in Fig. 7 gezeigt ist, die Entladungsdauer TL und die Aussetzdauer TH so eingestellt, dass die Entladungsdauer TL innerhalb des Anwendungsbereichs der Mehrfachentladung um so länger ist, je größer die Motorgeschwindigkeit Ne und das erforderliche Drehmoment TQ als Parameter sind. Wie außerdem in beispielsweise Fig. 8 gezeigt ist, wird die Aussetzdauer TH so eingestellt, dass die Aussetzdauer TH innerhalb des Anwendungsbereichs der Mehrfachentladung um so kürzer ist, je größer diese Parameter wie die Motorgeschwindigkeit Ne und das erforderliche Drehmoment TQ sind.

Indem bei der Mehrfachentladung auf diese Weise die Entladungsenergiedichte während des Entladungsanfangsabschnitts oder unmittelbar vor dem Entladungsende eingestellt wird, kann bei dem Zündsystem der Verbrauch an elektrischer Energie gesenkt werden, während der versprühte Kraftstoff während des Anfangsabschnitts der Entladung oder unmittelbar vor dem Entladungsende zuverlässig durch eine Zündkerze gezündet werden kann. Es ist auch möglich, die Zündung des versprühten Kraftstoffs durch einen Funken im Mittelabschnitt der Entladung sicherzustellen, indem die Entladungsenergiedichte im Mittelabschnitt der Entladung auf mindestens der Untergrenze zur Zündung des versprühten Kraftstoffs durch einen Funken gehalten wird. Es wird daher eine zuverlässige Zündung des versprühten Kraftstoffs sichergestellt, während der Verbrauch an elektrischer Energie des Zündsystems während der Schichtentladungsverbrennung über die Gesamtentladungsdauer gesenkt wird.

Darüber hinaus kann, wie in Fig. 9 gezeigt ist, in der eine weitere Änderung der zeitlichen Darstellung gemäß Fig. 5 gezeigt ist, bei der Mehrfachentladung die Aussetzdauer TH2, . . ., THn in der Gesamtentladungsdauer Tt so eingestellt werden, dass die Aussetzentladungsdauer allmählich länger wird, während sie sich der letzten Hälfte des Zeitabschnitts nähert. Dabei ist es denkbar, dass wenn die Entladungsdauer TL1, . . ., TLn länger als die Aussetzdauer TH2, . . . THm ist, bei jeder Einzelentladung fast die gesamte in der Zündspule 25 geladene Zündenergie entladen wird, weswegen die Speicherung der Zündenergie nicht mit der Entladung Schritt halten kann. Um dieses Problem zu lösen, wird die erste Hälfte des Entladungsabschnitts kurz eingestellt, um die Entladung vor der Entladung der gesamten in der Zündspule 25 gespeicherten Zündenergie abzubrechen, wodurch eine Verringerung der während der Aussetzdauer TH zu speichernden Zündenergiemenge ermöglicht wird. Es ist daher möglich, während der Schichtladungsverbrennung auch unmittelbar vor dem Ende der Mehrfachentladung eine ausreichende Entladungsenergiemenge zum Zünden des versprühten Kraftstoffs zu speichern und somit eine zufriedenstellende Entladungsenergiedichte dE von 18 [mJ/ms] oder mehr zu erzielen, die während jeder Entladungsdauer TL1, . . ., TLn zur Mehrfachentladung erforderlich ist.

Als Betriebsbedingungsparameter, der beim Wechsel von der Mehrfachentladung zur Einzelentladung oder umgekehrt und zur Berechnung der Gesamtentladungsdauer Tt, jeder Entladungsdauer TL und jeder Aussetzdauer Th für die Mehrfachentladung verwendet wird, kann allein die Motorgeschwindigkeit Ne Verwendung finden. Das heißt, dass wenn eine zur Schichtladungsverbrennung wirksame Mehrfachentladung bei einer Motorgeschwindigkeit ausgeführt wird, die die Betriebsbedingungen zur Schichtladungsverbrennung einschließt, die Mehrfachentladung auch im Betrieb zur Nicht-Schichtladungsverbrennung erfolgt, die an und für sich keine Mehrfachentladung erfordert. Auf jeden Fall besteht jedoch der Vorteil, dass die Steuerung vereinfacht werden kann.

Als nächstes folgt eine Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Länge des Funkenspalts G (nachstehend einfach als "Kerzenspalt G" bezeichnet) der im erfindungsgemäßen Direkteinspritzungsmotor eingebauten Zündkerze 19 und der Entladungsenergiedichte erläutert, die zur Zündung des versprühten Kraftstoffs durch einen an dem Kerzenspalt G erzeugten Funken erforderlich ist.

Fig. 10 und Fig. 11 zeigen bei dem. Direkteinspritzungsmotor 10 des besprochenen Ausführungsbeispiels zeitliche Darstellungen des Verlaufs des Zündsignals IGt, der Sekundärspannung V2, des Sekundärstroms 12 und der Entladungsenergiedichte dE während einer Einzelentladung innerhalb des Nicht-Schichtentladungsverbrennungsbereichs. In Fig. 11 ist die Zündkerze 19 mit einem Kerzenspalt G versehen, der weiter als der in Fig. 10 ist.

Wie in Fig. 10 und Fig. 11 gezeigt ist, wird während einer Einzelentladung das Zündsignal IGt von der ECU 30 an den Leistungstransistor 27 ausgegeben. Während der Zeitdauer, während der das Zündsignal IGt einen hohen Pegel erreicht, ist der Leistungstransistor 27 erregt, sodass dem Primärstrom I1 erlaubt ist, von der Batterie 26 zu der Primärwicklung 25a der Zündspule 25 zu fließen, wodurch die Zündenergie gespeichert wird. An einem Fallpunkt, an dem das Zündsignal IGt auf ein niedriges Niveau abfällt, wird der Leistungstransistor 27 dann abgeschaltet, was die Entladung der in der Zündspule 25 gespeicherte Zündenergie über die Sekundärwicklung 25b erlaubt. Es fließt daher der Sekundärstrom I2, sodass an der Zündkerze 19 die Sekundärspannung V2 anliegt, die einen hohe Spannung darstellt.

In Fig. 10 ist der Kerzenspalt G der Zündkerze 19 korrekt eingestellt. Für die Entladungsenergiedichte dE (= I2 × V2) zur Einzelentladung ist entsprechend den Betriebsbedingungen des Direkteinspritzungsmotors von Beginn der Entladung bis zum Ende der Entladung eine zur Zündung notwendige Entladungsenergiedichte dEo als Untergrenze zum Zünden des versprühten Kraftstoffs durch einen Funken erfüllt.

Da jedoch in Fig. 11 der Kerzenspalt G der Zündkerze 19 weiter als in Fig. 10 eingestellt ist, übersteigt die Entladungsenergiedichte dE (= I2 × V2) vom Beginn bis zum Ende der Entladung die zur Zündung notwendige Entladungsenergiedichte dEo bei weitem. Der überschüssige Anteil der Entladungsenergiedichte dE ist verschwendet. Da die Entladungsenergiedichte dE (= ∫ (I2 × V2) dt), die in Fig. 10 durch einen diagonal schraffierten Bereich angegeben ist, gleich der in Fig. 11 ist, ist in Fig. 11 die Entladungsdauer TLs vom Entladungsbeginn bis zum Entladungsende kurz. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen lässt sich daher zur Zündung keine korrekte zeitliche Funkenerzeugungssteuerung erzielen, was insofern von Belang ist, als ein Nachteil wie etwa eine Fehlzündung auftreten kann.

Fig. 12 und Fig. 13 zeigen bei dem Direkteinspritzungsmotor 10 des besprochenen Ausführungsbeispiels zeitliche Darstellungen des Verlaufs des Zündsignals IGt, der Sekundärspannung V2, des Sekundärstroms I2 und der Entladungsenergiedichte dE während einer Mehrfachentladung innerhalb des Bereichs der Schichtladungsverbrennung. In Fig. 13 ist der Kerzenspalt G der Zündkerze 19 weiter eingestellt als in Fig. 12.

Während der Mehrfachentladung wird das Zündsignal IGt von der ECU 30 wie in den Fig. 12 und 13 gezeigt an den Leistungstransistor 27 ausgegeben. Während der Zeitdauer, während der das Zündsignal IGt den hohen Pegel erreicht, ist der Leistungstransistor 27 erregt, sodass dem Primärstrom 11 erlaubt ist, von der Batterie 26 zu der Primärwicklung 25a zu fließen, wodurch die Zündenergie gespeichert wird. An dem Fallpunkt, an dem das Zündsignal IGt auf das niedrige Niveau abfällt, wird der Leistungstransistor 27 abgeschaltet und die in der Zündspule 25 gespeicherte Zündenergie über die Sekundärwicklung 25 entladen, aus der der Sekundärstrom I2 fließt, wodurch auf der Zündkerze 19 die Sekundärspannung V2 aufgebracht wird, die eine hohe Spannung darstellt.

In Fig. 12 ist der Kerzenspalt G der Zündkerze 19 korrekt eingestellt. Für die Entladungsenergiedichte dE (= I2 × V2) zur Mehrfachentladung ist entsprechend den Betriebsbedingungen des Direkteinspritzungsmotors von Beginn der Entladung bis zum Ende der Entladung eine zur Zündung notwendige Entladungsenergiedichte dEo als Untergrenze zum Zünden des versprühten Kraftstoffs durch einen Funken erfüllt.

Da der Kerzenspalt G der Zündkerze 19 in Fig. 13 weiter als in Fig. 12 eingestellt ist, übersteigt die Entladungsenergiedichte dE (= I2 × V2) vom Entladungsbeginn bis zum Entladungsende die während des Anfangsabschnitts der Entladung zur Zündung erforderliche Entladungsenergiedichte bei weitem und ist geringer als die während des letzten Entladungsabschnitts zur Zündung erforderliche Entladungsenergiedichte. Die in Fig. 12 durch eine diagonal schraffierte Fläche angegebene Entladungsenergie E (= ∫ (I2 × v2) dt) ist gleich der in Fig. 13. In Fig. 13 wird daher während des Anfangsabschnitts der von Entladungsbeginn bis Entladungsende reichenden Entladung die zugeführte Entladungsenergie teilweise verschenkt und ist die Entladungsenergie nahe dem Entladungsende unzureichend, was zu einer verkürzten Entladungsdauer führt. Die zeitliche Steuerung zur Erzeugung eines Zündfunkens kann daher unter einigen Betriebsbedingungen nicht realisiert werden, was zu einem Nachteil wie etwa einer Fehlzündung führt.

Als nächstes wird ein Zusammenhang zwischen dem Kerzenspalt G und verschiedenen anderen Parametern beschrieben, um dadurch den Kerzenspalt G der Zündkerze 19 so zu spezifizieren, dass eine korrekte Entladungsenergiedichte erzielt wird, die während einer vorbestimmten Entladungsdauer für eine Zündung erforderlich ist.

Fig. 14A zeigt bezogen auf den Kerzenspalt G [mm] ein Kennliniendiagramm des Änderungsbetrags der Entladungsenergiedichte. Fig. 14B ist eine erläuternde Ansicht, die eine Definition des Änderungsbetrags der Entladungsenergiedichte angibt. Wie in Fig. 14B gezeigt ist, stellt die Differenz von der Untergrenze der Entladungsenergiedichte dE während der Entladungsdauer den Änderungsbetrag der Entladungsenergiedichte ΔdE dar, wobei der Kerzenspalt G wie in Fig. 14A gezeigt die vorbestimmte Länge über- und unterschreitet, was zur Folge hat, dass der Änderungsbetrag der Entladungsenergiedichte ΔdE tendenziell zunimmt. Folglich ist, wie vorstehend erwähnt wurde, die Änderung der Dichte während der Entladungsdauer um so kleiner, je mehr eine ideale Entladungsenergiedichte unter Erfüllung der zur Zündung erforderlichen Entladungsenergiedichte erreichbar ist.

Fig. 15A zeigt bezogen auf den Kerzenspalt G [mm] ein Kennliniendiagramm der Entladungshaltedauer. Fig. 15B zeigt eine erläuternde Ansicht zur Definition der Entladungshaltedauer. Wie in Fig. 15B gezeigt ist, ist die Entladungshaltedauer als die von Entladungsbeginn bis Entladungsende reichende Dauer definiert, während der der auf der Seite der Sekundärwicklung 25b der Zündspule 25 fließende Sekundärstrom I2 allmählich mit Entladung der Entladungsenergie auf Null abnimmt. Wie in Fig. 15A gezeigt ist, erfährt der elektrische Widerstand mit zunehmenden Kerzenspalt G einen Anstieg, was eine Flächenentladung erschwert und demnach die Entladungshaltedauer verkürzt.

Fig. 16A zeigt bezogen auf den Kerzenspalt G [mm] ein Kennliniendiagramm der wirksamen Entladungshaltefrequenz M und Fig. 16B eine erläuternde Ansicht wirksamer und unwirksamer Entladungen. Wie in Fig. 16B gezeigt ist, wird eine Flamme erzeugt, durch die der versprühte Kraftstoff korrekt gezündet wird und die als eine wirksame Entladung zählt, wenn die Entladungsenergiedichte dE während der vorbestimmten Entladungsdauer die zur Zündung erforderliche Entladungsenergiedichte dEo überschreitet. Wenn die Entladungsenergiedichte dE dagegen, wie in Fig. 16B gezeigt ist, unter die zur Zündung erforderlichen Entladungsenergiedichte dEo fällt, findet wegen der kurzen Entladungsdauer eine Fehlzündung statt, was zu einer unwirksamen Entladung führt. Da die wirksame Entladungsdauer mit Zunahme des Kerzenspalts G sinkt, nimmt daher, wie in Fig. 16A gezeigt ist, die wirksame Entladungshaltefrequenz M als einsetzbarer Bereich ab.

Durch experimentelle Studien ergab sich, dass die zur Zündung erforderliche Entladungsenergiedichte dEor pro Einheitsspaltlänge einen übermäßigen Anstieg von mehr als 22,5 [mJ/ms/mm] erfährt, was der in Fig. 17 gezeigten Untergrenze enstpricht, wenn der Kerzenspalt G mehr als 1,2 [mm] oder weniger als 0,4 [mm] beträgt. Eine gewünschte Entladungsenergie wird daher durch Kontrolle bzw. Steuerung der Schwankung der Entladungsenergiedichteänderung erzielt, während die 22,5 [mJ/ms/mm] gehalten werden, die der zur Zündung notwendige Untergrenze der Entladungsenergiedichte dEor pro Einheitsspaltlänge entsprechen. Wenn die zur Zündung notwendige Untergrenze der Entladungsenergiedichte pro Einheitsspaltlänge von 22,5 [mJ/ms/mm] bei einer Mehrfachentladung für mehr als 80 [%] jeder Entladungsdauer gehalten wird, wird bei der Mehrfachentladung die Flamme während jeder Entladung nach Zündung des versprühten Kraftstoffs durch kontinuierliche Verbrennung aufrechterhalten und nicht unterbrochen.

Fig. 18 zeigt ein Kennliniendiagramm des zündempfindlichen Bereichs der Zündkerze 19, wobei der Mittelelektrodendurchmesser D und der Kerzenspalt G als Parameter Verwendung finden. Fig. 19 zeigt ein Kennliniendiagramm des Bereichs bei der Zündkerze 19, der die zur Zündung erforderliche Entladungsenergiedichte erzielt, wobei der Mittelelektrodendurchmesser D und der Kerzenspalt G als Parameter Verwendung finden. In dem in Fig. 18 mit einer diagonal schraffierten Fläche angegebenen zündempfindlichen Bereich wird eine korrekte Zündung erzielt, wenn der Mittelelektrodendurchmesser D der Zündkerze 19 1,1 [mm] oder weniger und der Kerzenspalt G 0,4 [mm] oder mehr betragen und solange der Kerzenspalt G nicht übermäßig zunimmt, und tritt daher weder eine Fehlzündung noch ein Entladungsfehler auf. Falls der Kerzenspalt G der Zündkerze 19 in diesem Fall auf weniger als 0,4 [mm] abnimmt, ist der erzeugte Funken klein und kommt es kaum zu einer Zündung. Wenn der Kerzenspalt G der Zündkerze 19 dagegen zu groß ist, nimmt der elektrische Widerstand zu, wodurch es zu keiner Flächenentladung kommt. Mit einer Zunahme des Mitteleelektrodendurchmessers D der Zündkerze 19 wird außerdem eine Kühlwirkung des Elektrodenelements wahrscheinlich, was zu einer erschwerten Flammenbildung führt.

Dabei wird in dem in Fig. 19 durch die diagonal schraffierte Fläche angegebenen Zündbereich, der die Entladungsenergiedichte erzielt, ungeachtet der Größe (Durchmesser) der Mittelelektrode der Zündkerze 19 eine zur Zündung ausreichende Entladungsenergiedichte erhalten, wenn der Kerzenspalt G 1,2 [mm] oder weniger beträgt. Falls der Kerzenspalt G der Zündkerze 19 weiter als 1,2 [mm] ist, nimmt die Entladungsdauer ab, was die Realisierung einer Mehrfachentladung erschwert. Um eine ideale Entladungsenergie zu erreichen, wird der Mittelelektrodendurchmesser der Zündkerze 19 daher auf 1,1 [mm] oder weniger und der Kerzenspalt G innerhalb des Bereichs von 0,4 bis 1,2 [mm] eingestellt. In der Praxis wird der Mittelektrodendurchmesser D der Zündkerze 19 unter Berücksichtigung der Haltbarkeit und der Herstellbarkeit des Materials der Mittelelektrode 19a festgelegt.

Die Funkenentzündungsvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist so eingestellt, dass die Entladungsenergiedichte pro Einheitsspaltlänge des Kerzenspalts G der Zündkerze 19 während jeder Entladungsdauer TL1, . . ., TLn der Gesamtentladungsdauer Tt zwecks Mehrfachentladung 22,5 [mJ/ms/mm] beträgt. Bei der Funkentzündungsvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Mittelektrodendurchmesser der Zündkerze 19 auf 1,1 [mm] oder weniger und der Kerzenspalt G innerhalb des Bereichs von 0,4 bis 1,2 [mm] eingestellt.

Daher ist in jedem Entladungsabschnitt der Mehrfachentladung die Entladungsenergiedichte zur Zündung durch einen an den Kerzenspalt G der Zündkerze 19 erzeugten Funken erfüllt. Der versprühte Kraftstoff wird entsprechend spezifischen Betriebsbedingungen zu einem korrekten Zeitpunkt mit dem Funken beaufschlagt, um dadurch eine zuverlässige Zündung des versprühten Kraftstoffs sicherzustellen. Auch dann, wenn das verbrennbare Gemisch zu verschiedenen Zeitpunkten um die Zündkerze 19 herum vorhanden ist, ist die zur Zündung notwendige Entladungsenergiedichte erfüllt, wodurch durch Zufuhr eines Luft-Kraftstoffgemischs, das sich eher auf der mageren Seite als das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis befindet, eine stabilisierte Verbrennung realisiert und dadurch eine verbesserte Kraftstoffeffizienz erreicht wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Funkentzündungsvorrichtung für einen Direkteinspritzungsmotor (10), bei dem Kraftstoff direkt in jeden Zylinder eingespritzt wird, mit:

    einer an jeden Zylinder des Direkteinspritzungsmotors angebrachten Zündkerze (19);

    einer Zündspule (25) zur Aufbringung einer hohen Spannung, um an der Zündkerze zu einem Zündzeitpunkt einen Funken zu erzeugen; und

    einer Zündsteuerungseinrichtung (27, 30), die dazu imstande ist, die hohe Spannung von der Zündspule zweimal oder mehrmals aussetzend aufzubringen,

    wobei die Zündsteuerungseinrichtung (27, 30) an der Zündkerze bei zumindest einem Teil der Betriebsbedingungen für eine Schichtladungsverbrennung eine Mehrfachentladung erzeugt.
  2. 2. Funkentzündungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zündsteuerungseinrichtung (27, 30) einen Wechsel zwischen Mehrfachentladung und Einzelentladung, eine Gesamtentladungsdauer (Tt) von Anfang bis Ende der Mehrfachentladung, jede Entladungsdauer (TL) und jede Aussetzdauer (TH) auf der Grundlage einer Steuerungstabelle berechnet, in der diese für jede Betriebsbedingung des Direkteinspritzungsmotors voreingestellt sind.
  3. 3. Funkentzündungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Gesamtentladungsdauer (Tt) der Mehrfachentladung innerhalb eines Bereichs von 1,0 bis 3,0 [ms] eingestellt ist.
  4. 4. Funkentzündungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei jede Entladungsdauer (TL) der Mehrfachentladung innerhalb eines Bereichs von 0,05 bis 0,5 [ms] eingestellt ist.
  5. 5. Funkentzündungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei jede Aussetzdauer (TH) der Mehrfachentladung innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1,0 [ms] eingestellt ist.
  6. 6. Funkentzündungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei jede Aussetzdauer (TH) der Mehrfachentladung so eingestellt ist, dass sie allmählich zunimmt.
  7. 7. Funkentzündungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei während jeder Entladungsdauer der Gesamtentladungsdauer der Mehrfachentladung die Entladungsenergiedichte (dE) so eingestellt ist, dass sie 18 [mJ/ms] und mehr beträgt.
  8. 8. Funkentzündungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zündsteuerungseinrichtung (27, 30) eine Mehrfachentladung durchführt, indem der Primärstrom der Zündspule zugeführt/unterbrochen wird.
  9. 9. Funkentzündungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Mehrfachentladungsdauer auch bei fortgesetzter Entladung als die Aussetzdauer für die Mehrfachentladung an dem Zeitpunkt angesehen wird, an dem die Entladungsenergiedichte auf weniger als 18 [mJ/ms] abgesunken ist.
  10. 10. Funkentzündungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Entladungsenergiedichte (dEor) pro Einheitsspaltlänge eines Kerzenspalts (G) der Zündkerze während jeder Entladungsdauer der Gesamtentladungsdauer der Mehrfachentladung auf mehr als 22,5 [mJ/ms/mm] eingestellt ist.
  11. 11. Funkentzündungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei bei der Zündkerze (19) ein Mittelelektrodendurchmesser auf weniger als 1,1 [mm] und ein Kerzenspalt innerhalb eines Bereichs von 0,4 bis 1,2 [mm] eingestellt sind.
  12. 12. Funkentzündungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Entladungsenergiedichte (dEor) pro Einheitsspaltlänge des Kerzenspalts (G) der Zündkerze (19) bezogen auf jede Entladungsdauer der Mehrfachentladung für mehr als 80 [%] auf mehr als 22,5 [mJ/ms/mm] eingestellt ist.
  13. 13. Funkentzündungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei bei der Zündsteuerungseinrichtung (27, 30) die Aussetzdauer (TH) zwischen Entladungen so eingestellt ist, dass sie während der Gesamtentladungsdauer von Beginn bis Ende der Mehrfachentladung allmählich zunimmt.






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