DE19645383A1 - Verfahren zum Betrieb einer Otto-Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Otto-Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bevorzugt erfolgt die Injektion der zur inneren Gemisch­ bildung erforderlichen Kraftstoffmenge bei Otto-Brenn­ kraftmaschinen mit je einem Injektor pro Zylinder im Kom­ pressionshub des Kolbens, wobei durch den späten Ein­ spritzzeitpunkt eine Ladungsschichtung ermöglicht ist, bei der bei insgesamt magerer Gemischbildung in der Nähe der Zündquelle ein fettes, leicht entflammbares Kraft­ stoff/Luft-Gemisch bereitgestellt wird. Durch Schichtla­ dungsbetrieb der Brennkraftmaschine mit Kompressions­ hubeinspritzung können im mittleren und niedrigen Teil­ lastbereich der Brennkraftmaschine ein vergleichsweise geringer Kraftstoffverbrauch und eine Reduzierung der Schadstoffemissionen erreicht werden. Die maximale Lei­ stungsabgabe der Brennkraftmaschine ist im Schichtla­ dungsbetrieb geringer als bei homogener Gemischbildung, so daß bei Vollast bzw. bei hoher Teillast ein Betriebs­ verfahren mit Kraftstoffeinspritzung im Saughub des Kol­ bens vorteilhaft ist. Die DE-OS 43 24 642 A1 schlägt da­ her eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine vor, welche im Niedriglastbereich mit Ladungsschichtung und im Hochlastbereich mit homogener Gemischbildung arbeitet. Die bekannte Brennkraftmaschine weist eine elektronische Steuereinheit auf, welche in Abhängigkeit von der momen­ tanen Lastanforderung der Brennkraftmaschine den Ein­ spritzzeitpunkt und die Einspritzmenge der jeweiligen Kraftstoffinjektion durch entsprechende Steuerung eines Injektors bestimmt und ebenfalls den Zündzeitpunkt steu­ ert.

Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit später inne­ rer Gemischbildung durch Kraftstoffeinspritzung im Kom­ pressionshub treten geringere Gastemperaturen auf als bei einer Kraftstoffeinspritzung während des Saughubes und damit homogener Gemischbildung, so daß es bei zunehmender Betriebsdauer im Schichtladungsbetrieb zu Ablagerungen an solchen Oberflächen in den Zylindern kommt, welche bei der Einspritzung mit flüssigem Kraftstoff benetzt werden. Treten solche Ablagerungen an der Injektordüse auf, so kann es zu Veränderungen des Strahlbildes führen und die Gemischbildung- und Verbrennungsbedingungen nachteilig verändern. Darüber hinaus verursachen Ablagerungen an der Zündkerze, insbesondere an deren Elektroden, Zündpro­ bleme, da ab einem bestimmten Verkokungsgrad der Wider­ stand der Zündkerze so weit reduziert ist, daß ein ver­ bleibendes Spannungsangebot einer Zündanlage nicht mehr größer ist als die zur Erzeugung eines Funkens erforder­ liche Durchbruchsspannung ist. Kommt es aufgrund von Ver­ kokungen der Zündkerze zu Zündaussetzern, das heißt die Ausbildung des Zündfunkens und somit die Gemischzündung bleibt im betroffenen Arbeitsspiel des Zylinders aus, so tritt sowohl ein erhöhter Kraftstoffverbrauch als auch eine erhöhte Schadstoffemission von verbrannten Kohlen­ wasserstoffen auf. Im Hochlastbetrieb der Brennkraftma­ schine mit homogener Gemischverbrennung durch Kraftstoff­ einspritzung während des Saughubes werden die Ablagerun­ gen durch weitaus höhere Gastemperaturen verhindert und ebenfalls die bei einem vorausgegangenen Niedriglastbe­ trieb entstandenen Ablagerungen entfernt. Die bekannte Brennkraftmaschine kann nur für kurze Zeiträume im Teil­ lastbereich betrieben werden, welche durch das Auftreten von Zündaussetzern aufgrund von Verkokungen der Zündkerze oder durch mangelhafte Gemischbildung durch Ablagerungen an der Injektordüse begrenzt sind. Sie kann daher den in der Praxis auftretenden Anforderungen, nämlich längere Betriebsdauer im unteren Teillastbereich nicht genügen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Be­ trieb einer gattungsgemäßen Otto-Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung zu schaffen, welches eine belie­ bige Betriebsdauer im mittleren oder geringen Lastbereich ohne nachteilige Auswirkungen auf die Verbrennungsquali­ tät ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkinalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die von der momentanen Lastanforderung unabhängige Um­ schaltung vom Betrieb der Brennkraftmaschine mit Kompres­ sionshubeinspritzung auf Saughubeinspritzung bewirkt ent­ sprechend der Dauer des Arbeitsintervalls bis zur Rück­ schaltung auf Kompressionshubeinspritzung eine kurzzei­ tige Gemischverbrennung bei hohen Temperaturen. Dabei werden die durch Benetzung mit flüssigem Kraftstoff ent­ standenen Ablagerungen thermisch zersetzt und insbeson­ dere die Injektordüse und die Zündkerze jedes Zylinders freigebrannt, so daß deren optimale Funktion gewährlei­ stet ist. Die Umschaltung des Einspritzzeitpunktes durch die elektronische Steuereinheit erfolgt in Abhängigkeit eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine, wobei die Betriebsintervalle mit Kompressionshubeinspritzung mit den dabei erzielbaren Vorteilen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemissionen mög­ lichst lang sind. Die Umschaltung der Betriebsart erfolgt jeweils möglichst spät, und dabei jedoch rechtzeitig vor einer schädlichen Beeinflussung der Verbrennungsqualität durch das Ausmaß der Ablagerungen. Bei der Umschaltung auf Saughubeinspritzung und homogene Gemischbildung wird gleichzeitig die Ansaugluftmenge reduziert, so daß der Lastpunkt bzw. die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine vor und nach der Umschaltung der Einspritzzeitpunkte gleich ist. Mit einer leicht erhöhten Injektionsmenge wie im Schichtladungsbetrieb bei Kompressionshubeinspritzung und hohem Ansaugluft-Überschuß ist durch die Drosselung des Ansaugluft-Massenstroms die homogene Gemischbildung bei Saughubeinspritzung und stöchiometrischen Luftver­ hältnissen möglich. Nach Ablauf des Arbeitsintervalls zum Freibrennen wird neben der Verlegung des Einspritzzeit­ punktes in den Kompressionshub auch der Ansaugluft- Massenstrom erhöht, um in den Schichtladungsbetrieb mit den erforderlichen λ-Werten zurückzuschalten.

Vorteilhaft wird der Steuereinheit eine Eingangsgröße zu­ geführt, welche aus einem Betriebsparameter ermittelt ist. Die Steuereinheit vergleicht die zugeführte Ein­ gangsgröße mit einer vorgebbaren Kenngröße und veranlaßt bei Übereinstimmung die Umschaltung der Betriebsart von Kompressionshubeinspritzung auf Saughubeinspritzung. Nach Ablauf des Arbeitsintervalls zum Freibrennen erfolgt die Rückschaltung. Die Kenngrößen können in einem Kennfeld abgelegt sein und werden von der Steuereinheit für den momentanen Lastpunkt der Brennkraftmaschine entnommen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Eingangsgröße fortlaufend von einem Timer erzeugt.

Die Kenngröße bestimmt dabei ein im vorliegenden Last­ punkt der Brennkraftmaschine maximal mögliches Betriebs­ intervall mit Kompressionshubeinspritzung, in dem das Ausmaß der gebildeten Ablagerungen die optimale Funktion der Brennkraftmaschine nicht beeinflußt. Jeweils nach Ab­ lauf dieses Betriebsintervalls, d. h. bei Übereinstimmung der vom Timer erzeugten Eingangsgröße mit der Kenngröße erfolgt die Umschaltung auf homogene Gemischbildung und eine Entfernung der Ablagerungen durch Freibrennen bei hohen Gastemperaturen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung wird als Eingangsgröße ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine mit Aussage über die momentane Ver­ brennungsqualität ermittelt. Eine Verschlechterung der Verbrennungsqualität tritt auf etwa durch eine Verände­ rung des Strahlbildes bei der Kraftstoffinjektion oder durch Zündaussetzer infolge von Ablagerungen und Verko­ kungen an den Injektordüsen bzw. den Zündkerzen. Änderun­ gen der Brennbedingungen und insbesondere das Auftreten von Zündaussetzern äußern sich in der Laufruhe der Brenn­ kraftmaschine, so daß eine Ermittlung der Laufunruhe als Betriebsparameter zur Erzeugung der Eingangsgröße für die Steuereinheit geeignet ist. Die Laufruhe der Brennkraft­ maschine kann durch Messung der Drehgeschwindigkeit an dem rotierenden Schwungrad der Brennkraftmaschine ermit­ telt werden, wobei eine Umschaltung vom Schichtladungsbe­ trieb auf homogene Gemischbildung bei Erreichen einer Lastpunkt-spezifischen Drehgeschwindigkeit erfolgt.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung wird an die zur Gemischzündung in die Zylinder ra­ genden Zündkerzen jeweils eine elektrische Prüfspannung angelegt und ein jeweils durch die Zündkerze fließender Prüfstrom gemessen, welcher die Qualität der Eingangs­ größe für die Steuereinheit bestimmt. Nach Anlegen einer bekannten Prüfspannung und Messung der Stromstärke des fließenden Prüfstroms läßt sich der elektrische Wider­ stand der Zündkerze nach dem Ohmschen Gesetz ermitteln. Da der elektrische Widerstand einer Zündkerze mit zuneh­ mendem Verkokungsgrad deutlich fällt, kann durch Messung des Prüfstroms und die Erfassung des sich antiproportio­ nal verhaltenden elektrischen Widerstandes der Zündkerze ein Rückschluß auf den Verkokungsgrad gezogen werden. Stimmt im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine mit Kompressionshubeinspritzung der an der Zündkerze ge­ messene Prüfstrom mit einer durch die Kenngröße vorgege­ benen Stromstärke überein, so schaltet die Steuereinheit auf Saughubeinspritzung um. Besonders vorteilhaft ist bei dieser Steuerung des Umschaltzeitpunktes, daß die Be­ triebsintervalle mit Kompressionshubeinspritzung maximal lang ist, da der optimale Umschaltzeitpunkt jeweils kurz vor dem Auftreten von Zündaussetzern angezeigt wird. Die Prüfspannung wird während eines Prüfintervalles an der Zündkerze angelegt, welches im Arbeitsspiel des Zylinders vom Zündzeitpunkt beabstandet liegt, zu dem an den Zünd­ kerzen eine Zündspannung zur Auslösung eines zwischen den Elektroden überspringenden Zündfunkens zur Gemischzündung angelegt wird. Vorzugsweise erfolgt die Zündkerzendiagno­ se durch Anlegen einer Prüfspannung und Messung des Prüf­ stroms während des Ausschiebehubes vor dem Anlegen der Zündspannung. Die an die Zündkerzen angelegte Prüfspan­ nung ist dabei deutlich niedriger als die zur Erzeugung eines Zündfunkens notwendige Überschlagsspannung, wodurch keine Beeinflussung der Gemischbildungs- und Verbren­ nungsbedingungen während der Zündkerzendiagnose eintritt. Die Zündkerzendiagnose kann mit Gleichstrom oder Wechsel­ strom durchgeführt werden. Denkbar sind auch mehrere Spannungsbeaufschlagungen der Zündkerze impulsartig hin­ tereinander.

Die Zündkerzendiagnose durch Anlegen einer Prüfspannung und Messung des jeweils fließenden Prüfstroms kann im Hinblick auf möglicherweise unterschiedlichen Verkokungs­ grad an mehreren oder sogar jeder Zündkerze der Brenn­ kraftmaschine individuell durchgeführt werden. Die Zünd­ kerzendiagnose erfolgt dabei im gleichen Kurbelwinkelbe­ reich während des jeweiligen Arbeitsspieles der Zylinder, wodurch präzise Aussagen über den Verkokungsgrad der je­ weiligen Zündkerzen im Vergleich zueinander gemacht wer­ den können und eine Umschaltung des Einspritzzeitpunktes und eine anschließende Rückschaltung in die Betriebsart mit Kompressionshubeinspritzung zum optimalen Zeitpunkt in Abhängigkeit von der Lastanforderung erfolgen kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeich­ nung nachstehend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine geschnittene Teilansicht einer Brennkraftma­ schine mit Timer-Indikation des Umschaltpunktes der Betriebsarten mit unterschiedlichen Injekti­ onszeitpunkten,

Fig. 2 eine Darstellung einer Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 mit Laufruhe-Indikation des Umschaltpunk­ tes,

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 mit Zünd­ kerzendiagnose-Indikation des Umschaltpunktes,

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung des Prüfstrom-Ver­ laufes bei der Zündkerzendiagnose,

Fig. 5 eine flußschaubildliche Darstellung einer Regelung des Verfahrens zum Betrieb einer Otto-Brennkraft­ maschine,

Fig. 6 eine flußschaubildliche Darstellung einer alterna­ tiven Regelung des Verfahrens zum Betrieb einer Otto-Brennkraftmaschine.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen Längsschnitt durch einen Zylinder 2 einer Brennkraftmaschine 1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind für gleiche Teile jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet. In jeden Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 ist von einem Kolben 3 und einem Zy­ linderkopf 8 ein Brennraum 9 begrenzt, in den ein den Zy­ linderkopf 8 durchsetzender Injektor 4 einen sich kegel­ förmig ausweitenden Kraftstoffstrahl 10 einspritzt. Im Brennraum 9 ist mit dem eingespritzten Kraftstoff und mit durch einen Einlaßkanal 11 zugeführter Verbrennungsluft ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch bildbar, welches durch einen zwischen den Elektroden 24a, 24b einer Zünd­ kerze 5 überspringenden Zündfunken zündbar ist. Abhängig von der Lastanforderung erfolgt die Kraftstoffeinsprit­ zung bei niedriger und mittlerer Teillast im Kompressi­ onshub des Kolbens 3 und bei hoher Teillast und Vollast im Saughub des Kolbens 3. Die Gemischbildung im Brennraum 9 und die Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches durch die Zündkerze 5 werden durch eine elektronische Steuereinheit 6 gesteuert. Hierzu führt die Steuereinheit 6 dem vorlie­ genden Lastpunkt entsprechend der Zündkerze 5 Zündparame­ ter 20, dem Injektor 4 Einspritzparameter 18 und einer den Einlaßkanal 11 beherrschenden Drosselklappe 7 Dros­ selparameter 19 zur Bereitstellung des erforderlichen An­ saugluft-Massenstroms zu. Die Elektroden 24a, 24b der Zündkerze 5 ragen so weit in den Brennraum 9, daß im Teillastbereich mit Kompressionshubeinspritzung und Schichtladungsbetrieb der durch den Kraftstoffstrahl 10 bestimmte, geschichtete Gemischkegel zuverlässig zündbar ist.

Bei hoher Teillast oder Vollast arbeitet die Brennkraft­ maschine 1 mit Kraftstoffeinspritzung im Saughub des Kol­ bens 3, wobei eine homogene Gemischbildung im Brennraum 9 erfolgt und eine hohe Spitzenleistung abgegeben wird. Im mittleren oder niedrigen Teillastbereich erfolgt die In­ jektion in den Brennraum 9 im Kompressionshub des Kolbens 3, wobei mit Luftüberschuß durch einen hohen Ansaugluft­ massenstrom durch den Einlaßkanal 11 und dem späteren Einspritzzeitpunkt eine Ladungsschichtung durchgeführt wird. Im Schichtladungsbetrieb ist der Kraftstoffver­ brauch vergleichsweise gering und überdies sind die Schadstoffemissionen, insbesondere NO_x und CO-, reduziert. Die mittlere Gastemperatur im Brennraum 9 ist bei Schichtverbrennung niedriger als bei homogener Verbren­ nung, wodurch eine rückstandsfreie Verbrennung behindert ist. Bei längerer Betriebsdauer mit Kraftstoffeinsprit­ zung im Kompressionshub des Kolbens 3 kurz vor dem Auslö­ sen der Zündung bilden sich an den mit flüssigem Kraft­ stoff benetzten Oberflächen im Brennraum 9 Ablagerungen, welche abhängig von der Lage und dem Ausmaß die ordnungs­ gemäße Funktion der Brennkraftmaschine 1 beeinflussen können. So führen etwa Ablagerungen an der Einspritzdüse des Injektors 4 zu einer Änderung des Strahlbildes des eingespritzten Kraftstoffstrahls 10 und damit zu einer Änderung der Gemischbildungs- und Brennbedingungen. Ver­ kokungen der Zündkerze 5 senken deren elektrischen Wider­ stand und ab einem bestimmten Verkokungsgrad erreicht das Hochspannungsangebot der Zündanlage wegen eines durch die Verkokungen bedingten Kriechstroms nicht die zur Ausbil­ dung eines Zündfunkens erforderliche Überschlagsspannung und es werden Zündaussetzer verursacht, welche zu einem erheblich größeren Kraftstoffverbrauch und einer höheren Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen führen.

Um die Ablagerung von Verbrennungsrückständen im Schicht­ ladungsbetrieb zu begrenzen, schaltet die Steuereinheit 6 unabhängig von der momentanen Lastanforderung in Abhän­ gigkeit von der Zeit oder mindestens eines Betriebspara­ meters, aus dem Rückschlüsse auf den Verkokungsgrad im Brennraum 9 gezogen werden können, von Kraftstoffein­ spritzung im Kompressionshub des Kolbens 3 auf Saughu­ beinspritzung um. Gleichzeitig wird die Drosselklappe 7 durch entsprechende Drosselparameter 19 angestellt, um die zur homogenen Gemischbildung erforderliche, reduzier­ te Ansaugluftmenge durch den Einlaßkanal 11 zu leiten. Unter Beibehaltung des Lastpunktes der Brennkraftmaschine wird bei homogener Verbrennung die mittlere Gastemperatur im Brennraum 9 derart angehoben, daß die im Schichtla­ dungsbetrieb gebildeten Ablagerungen entfernt und insbe­ sondere die Zündkerze 5 und der Injektor 4 freigebrannt werden. Nach Ablauf eines bestimmten, kurzen Freibrennin­ tervalls mit Kraftstoffeinspritzung im Saughub und homo­ gener Gemischbildung wird mit einem freigebrannten Brenn­ raum 9 in die Betriebsart der Brennkraftmaschine 1 mit Kompressionshubeinspritzung zurückgeschaltet.

Es werden möglichst lange Betriebsintervalle mit Kompres­ sionshubeinspritzung angestrebt und die Steuereinheit 6 schaltet daher erst beim Vorhandensein von schädlichen Ablagerungen von Schichtverbrennung auf homogene Verbren­ nung um. Der Steuereinheit 6 wird hierzu ein Eingangssi­ gnal 16 zugeführt, welches aus einem Timer stammt oder aus einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 ermit­ telt ist. Die Information des Eingangssignals 16 wird in der Steuereinheit 6 mit einer Kenngröße 22 verglichen, welche einem Kennfeld 12 für den vorliegenden Lastpunkt entnommen ist. Die Kenngröße 22 indiziert den Umschalt­ punkt und bei Übereinstimmung mit dem Eingangssignal 16 leitet die Steuereinheit 6 das kurzzeitige Freibrennin­ tervall mit den entsprechenden Maßnahmen ein, nämlich Verlegung des Einspritzzeitpunktes, Erhöhung der Ein­ spritzmenge und die Reduzierung des Ansaugluftstromes durch Anstellung der Drosselklappe 7 mit den entsprechen­ den Einspritzparametern 18 bzw. Drosselparametern 19 bzw. Zündparametern 20.

In Fig. 1 wird das Eingangssignal 16 im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit Kompressionshubeinspritzung von einem Timer 23 erzeugt. Die Steuereinheit 6 entnimmt für den vorliegenden Lastpunkt dem Kennfeld 12 die Kenngröße 22, welche die in diesem Betriebspunkt maximal mögliche Betriebsdauer mit Ladungsschichtung bezeichnet, nach des­ sen Überschreitung mit einer deutlichen Verschlechterung der Verbrennungsqualität durch die Ausbildung von Ablage­ rungen im Brennraum 9 gerechnet werden muß. Nach Ablauf dieses Betriebsintervalls, d. h. bei Übereinstimmung des vom Timer 23 erzeugten, die verstrichene Betriebszeit be­ zeichnenden Eingangssignal 16 mit der Kenngröße 22, er­ folgt die Umschaltung auf Saughubeinspritzung. Die Dauer des Freibrennintervalls und die das Freibrennen abschlie­ ßende Rückschaltung wird ebenfalls durch einen überein­ stimmenden Vergleich des vom Timer 23 erzeugten Eingangs­ signals mit der einschlägigen Kenngröße 22 bezeichnet.

Wie in Fig. 2 dargestellt, kann das der Steuereinheit 6 zur Bestimmung des Umschaltpunktes zugeführte Eingangssi­ gnal 16 aus einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschi­ ne 1 ermittelt werden, welcher unmittelbar die Verbren­ nungsqualität beurteilt. Das Eingangssignal 16 leitet hierbei der Steuereinheit 6 Informationen über die momen­ tane Laufruhe der Brennkraftmaschine 1 zu und wird er­ zeugt aus einer Drehzeitmessung 14 an einem rotierenden Schwungrad der Brennkraftmaschine 1. Die Laufruhe der Brennkraftmaschine 1 verschlechtert sich mit dem Auf­ treten von Zyklenschwankungen, welche etwa durch Zündpro­ bleme infolge Verkokungen der Zündkerze 5 im Schichtla­ dungsbetrieb verursacht sind. Bei Erreichen einer be­ stimmten, durch das Eingangssignal 16 bezeichneten Dreh­ zeit, welche der Steuereinheit 6 durch die dem Kennfeld 12 entnommene Kenngröße 22 bekannt ist, erfolgt die Um­ schaltung der Betriebsart auf Saughubeinspritzung zum Freibrennen des Brennraums 9. Die das Freibrennintervall beendende Rückschaltung auf Kompressionshubeinspritzung wird von der Steuereinheit 6 zeitlich gesteuert veran­ laßt.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Betriebssteuerung einer Brennkraftmaschine 1, bei der das der Steuereinheit 6 zur Bestimmung des Umschaltpunktes auf Saughubeinspritzung zugeführte Eingangssignal direkt aus dem momentanen Ver­ kokungsgrad der Zündkerze 5 erzeugt ist. Es wird dabei von einer Zündanlage 21 auf dem gleichen Wege wie die Zündspannung zur Auslösung eines zwischen den Elektroden 24a, 24b einer Zündkerze 5 überspringenden Zündfunkens über eine Verteilerleitung 17 eine Prüfspannung angelegt. Die Prüfspannung ist dabei deutlich niedriger als die zur Erzeugung eines Zündfunkens notwendige Durchbruchsspan­ nung und beträgt etwa 5 bis 10 Volt. Sie wird vorzugs­ weise während des Ausschiebehubes des Kolbens 3 an die Zündkerze angelegt, also deutlich vor der Beaufschlagung mit der Zündspannung zur Auslösung des Zündfunkens zum Zündzeitpunkt, welcher von der Steuereinheit 6 durch Zu­ leitung der entsprechenden Zündparameter 20 zu der Zünd­ anlage 21 bestimmt ist. Alternativ hierzu kann die Prüf­ spannung auch im Saughub und im Kompressionshub des Kol­ bens 3 angelegt werden.

Nach Anlegen der Prüfspannung wird ein durch die Zünd­ kerze 5 fließender Prüfstrom gemessen, welcher in Analo­ gie zum Ohmschen Gesetz vom elektrischen Widerstand der Zündkerze 5 abhängt. Da Verkokungen der Zündkerze 5 den elektrischen Widerstand herabsetzen, wird mit zunehmendem Ausmaß der Verkokungen der elektrische Widerstand der Zündkerze 5 sinken und der meßbare Prüfstrom reziprok steigen. Die Qualität des Eingangssignals 16 hängt unmit­ telbar mit der Stromstärke des gemessenen Prüfstroms zu­ sammen, so daß die Steuereinheit 6 unter Zugrundelegung der für den vorliegenden Lastpunkt der Brennkraftmaschine 1 vorgesehenen Kenngröße 22 eine Umschaltung auf Saug­ hubeinspritzung zum Freibrennen genau zu dem Zeitpunkt im Schichtladungsbetrieb vornimmt, ab dem mit Zündaussetzern aufgrund von Verkokungen der Zündkerze 5 gerechnet werden muß. Eine Rückschaltung auf Kompressionshubeinspritzung erfolgt am Ende des Freibrennintervalls, nachdem der Steuereinheit 6 ein Eingangssignal 16 zugeführt wurde, welches die Information über einen ausreichend geringen Prüfstrom enthält und somit die Gewißheit vorliegt, daß die eingangs diagnostizierte Zündkerze 5 von Verkokungen gereinigt ist. Diese elektrische Zündkerzendiagnose durch Anlegen einer Prüfspannung erlaubt einen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit maximal langen Betriebsinterval­ len mit Kompressionshubeinspritzung und den damit verbun­ denen Vorteilen, wobei die Umschaltung auf Saughubein­ spritzung zum Freibrennen rechtzeitig vor dem ersten Auf­ treten von Zündaussetzern erfolgt. Die Folge von Zündaus­ setzern, nämlich ein erhöhter Kraftstoffverbrauch und ei­ ne erhöhte Schadstoffemission, insbesondere NO_x und CO, werden somit zuverlässig vermieden.

In Fig. 4 ist an einem Schaubild grafisch der Verlauf des Prüfstroms I bei der Zündkerzendiagnose in Abhängigkeit von der Betriebszeit t der Brennkraftmaschine aufgetra­ gen. Im Betriebsintervall t_B mit Saughubeinspritzung und Schichtladung nimmt die Stromstärke I linear mit der Be­ triebszeit und den damit verbundenen Verkokungen der Zündkerze zu. Erreicht der gemessene Prüfstrom I im Be­ triebsintervall t_B bei Anlegen einer konstanten Prüfspan­ nung U gemäß dem Ohmschen Gesetz U = R×I aufgrund des mit zunehmenden Verkokungsgrad der Zündkerze abnehmenden elektrischen Widerstands R eine solche Stromstärke, ab dem mit Zündaussetzern gerechnet werden muß, so erfolgt erfindungsgemäß die Umschaltung auf Saughubeinspritzung und Freibrennen für ein bestimmtes Freibrennintervall t_Fr. Im Schaubild ist die den Umschaltpunkt bezeichnende Stromstärke I durch die Aussetzergrenze 15 grafisch dar­ gestellt. Während des Freibrennintervalls t_Fr mit Saughub­ einspritzung werden aufgrund der hohen Gastemperaturen im Brennraum die Verkokungen entfernt und der elektrische Widerstand der diagnostizierten Zündkerze steigt, was sich bei der Zündkerzendiagnose in Form des linear sin­ kenden Prüfstroms I äußert. Wird durch einen entsprechend kleinen Prüfstrom I die vollzogene Entfernung der Ablage­ rungen im Brennraum angezeigt, so erfolgt am Ende des Freibrennintervalls t_Fr die Rückschaltung auf Kompressi­ onshubeinspritzung. Im darauffolgenden Betriebsintervall werden sich aufgrund der wiederum geringen mittleren Brennraumtemperaturen im Schichtladungsbetrieb erneut Ab­ lagerungen bilden, so daß der gemessene Prüfstrom I in Folge des wiederum sich erniedrigenden elektrischen Wi­ derstandes der diagnostizierten Zündkerze steigt, bis wiederum eine Umschaltung auf Saughubeinspritzung und Freibrennen erfolgen muß.

In den Fig. 5 und 6 sind schematisch Regelungsvarianten des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens einer Otto- Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung darge­ stellt. Abhängig von der Lastanforderung 13 entscheidet die Steuereinheit 6 unter Zugrundelegung von Lastpunktda­ ten, welche einem Kennfeld 12 entnehmbar sind, ob (im Falle der mittleren oder geringen Lastanforderung) die Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung im Kompres­ sionshub K oder (im Falle der hohen Teillast oder Voll­ last) ein Betrieb mit Saughubeinspritzung S erfolgt. Im Falle der Saughubeinspritzung wird der Regelkreislauf ge­ schlossen und es erfolgt eine Änderung der Betriebsart im Falle einer geänderten Lastanforderung 13. Wird die Brennkraftmaschine bei geringer oder mittlerer Lastanfor­ derung 13 mit Kompressionshubeinspritzung K betrieben, so wird der Steuereinheit 6 fortlaufend ein Eingangssignal von einem Timer oder mit Informationen über Betriebspara­ meter der Brennkraftmaschine zugeführt. Erfüllt das zuge­ führte Eingangssignal ein gewisses Kriterium, welches durch eine dem Kennfeld 12 entnommene Kenngröße festge­ legt ist und eine zu große Beeinflussung des Betriebsver­ haltens durch die bei Kompressionshubeinspritzung im Brennraum der Brennkraftmaschine gebildeten Ablagerungen bezeichnet, so erfolgt erfindungsgemäß eine Umschaltung auf Saughubeinspritzung S. Wie bereits beschrieben, wird bei Saughubeinspritzung und homogener Gemischbildung un­ ter Beibehaltung des Lastpunktes eine höhere mittlere Brennraumtemperatur erreicht und die gebildeten Ablage­ rungen werden rückstandsfrei verbrannt.

In Fig. 5 ist die Regelung des Betriebsverfahrens einer Otto-Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung gemäß der Anordnung in Fig. 1 dargestellt. Das Eingangssignal für die Steuereinheit 6 wird dabei von einem Timer 23 er­ zeugt. Das Betriebsintervall mit Kompressionshubeinsprit­ zung K ist dabei zeitlich begrenzt und es erfolgt nach einer bestimmten Betriebszeit t die Umschaltung auf Saug­ hubeinspritzung S zum Freibrennen. Die Dauer t des Be­ triebsintervalls mit Kompressionshubeinspritzung ist da­ bei durch eine dem Kennfeld 12 entnehmbare Kenngröße festgelegt, welche der Lastanforderung 13 jeweils zuge­ ordnet ist. Stellt die Steuereinheit 6 fest, daß die ver­ strichene Betriebszeit t kürzer ist als die aus dem Kenn­ feld 12 bekannte, maximale Betriebszeit im Kompressions­ einspritzungsbetrieb, so wird der Regelkreislauf ge­ schlossen. Eine Änderung der Betriebsart erfolgt nur dann, wenn entweder die Lastanforderung 13 geändert wird oder das vom Timer 23 erzeugte Eingangssignal mit der aus dem Kennfeld 12 bekannten Kenngröße übereinstimmt, d. h. daß das maximal mögliche Betriebsintervall mit Kompressi­ onshubeinspritzung K ohne schädliche Störung der Be­ triebsbedingungen der Brennkraftmaschine in Folge Ablage­ rungen im Brennraum abgelaufen ist. Schaltet die Steuer­ einheit 6 nach Ablauf des bekannten Betriebsintervalls auf Saughubeinspritzung S um, so wird das Freibrenninter­ vall nach Erreichen der vom Timer 23 gemessenen Inter­ valldauer mit der aus dem Kennfeld 12 bekannten, maxima­ len Freibrennintervalldauer beendet und der Regelkreis­ lauf geschlossen.

Fig. 6 zeigt schematisch die Regelung der Betriebsverfah­ ren von Brennkraftmaschinen mit innerer Gemischbildung gemäß der Anordnungen in Fig. 2 und Fig. 3. Läßt die Steuereinheit 6 abhängig von der Lastanforderung 13 die Brennkraftmaschine mit Kompressionshubeinspritzung K ar­ beiten, so wird der Steuereinheit 6 ein Eingangssignal 16 mit Aussage über die momentane Verbrennungsqualität zuge­ führt. Verschlechtert sich die Verbrennungsqualität auf­ grund zu umfangreicher Ablagerungen und Verkokungen im Brennraum auf ein bestimmtes, durch die dem Kennfeld 12 entnommene Kenngröße vorbekanntes Maß, so schaltet die Steuereinheit 6 kurzzeitig für ein bestimmtes Freibrenn­ intervall auf Saughubeinspritzung S. Das Eingangssignal 16 kann dabei gemäß der in Fig. 2 gezeigten Anordnung aus einer Drehzeitmessung an einem rotierenden Schwungrad der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Dabei läßt eine zu große Schwankung auf Zyklenschwankungen in Folge von Ver­ kokungen der Zündkerzen schließen, so daß ein Umschalten auf Saughubeinspritzung und Freibrennen durch erhöhte Brennraumtemperaturen bei homogener Gemischbildung erfor­ derlich wird. Alternativ hierzu kann das Eingangssignal 16 jedoch auch gemäß Fig. 3 direkt aus einer Prüfstrom­ messung nach Anlegen einer Prüfspannung an eine Zündkerze durch die Zündanlage bei einer Zündkerzendiagnose auf Verkokungen ermittelt werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betrieb einer Otto-Brennkraftmaschine (1) mit je einem Injektor (4) pro Zylinder (2) zur inne­ ren Gemischbildung, wobei der Zeitpunkt und die Ein­ spritzmenge der jeweiligen Kraftstoffinjektion in Abhän­ gigkeit der Lastanforderung (13) der Brennkraftmaschine (1) mittels einer elektronischen Steuereinheit (6) verän­ derbar ist und dabei die erforderliche Kraftstoffmenge bei Vollast oder hoher Teillast im Saughub und bei mitt­ lerer oder geringer Teillast im Kompressionshub des Kol­ bens (3) in den Zylinder (2) eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit Kom­ pressionshubeinspritzung in Abhängigkeit von der Zeit oder mindestens eines Betriebsparameters die Steuerein­ heit (6) unabhängig von der momentanen Lastanforderung (13) auf Saughubeinspritzung bei gleichzeitiger Reduzie­ rung der Ansaugluftmenge umschaltet und nach Ablauf eines bestimmten Freibrennintervalls (t_Fr) in die Betriebsart mit Kompressionshubeinspritzung zurückschaltet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereinheit (6) ein aus einem Betriebsparameter ermitteltes Eingangssignal (16) zugeführt wird und je­ weils bei Übereinstimmung mit einer vorgebbaren Kenngröße (22) die Umschaltung auf Saughubeinspritzung und nach Ablauf des Freibrennintervalls (t_Fr) die Rückschaltung erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (6) einem Kennfeld (12) die dort abgelegten Kenngrößen (22) für den momentanen Lastpunkt der Brennkraftmaschine (1) entnimmt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Eingangssignal (16) von einem Timer (23) erzeugt wird und die Umschaltung der Betriebsart jeweils nach Ab­ lauf eines durch die Kenngröße (22) bestimmten Intervalls erfolgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Eingangssignal (16) aus einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (1) mit Aussage über die momentane Verbrennungsqualität ermittelt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangssignal (16) die Laufruhe der Brenn­ kraftmaschine (1) ermittelt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Laufruhe der Brennkraftmaschine (1) eine Drehzeitmessung (14) an einem rotierenden Schwungrad der Brennkraftmaschine durchgeführt wird und bei Erreichen einer bestimmten Schwankung die Umschaltung der Betriebsart erfolgt.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Freibrennintervall (t_Fr) zeitlich durch ein von dem Timer (23) erzeugtes Eingangssignal (16) begrenzt ist.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an in die Zylinder (2) ragende Zündkerzen (5), zwi­ schen deren Elektroden (24a, 24b) zum Zündzeitpunkt nach Anlegen einer Zündspannung ein Zündfunken zur Gemischzün­ dung überspringt, während eines vom Zündzeitpunkt beab­ standeten Prüfintervalls eine Prüfspannung angelegt und ein durch die Zündkerze (5) fließender Prüfstrom (I) als Eingangssignal (16) für die Steuereinheit (6) gemessen wird und die Umschaltung der Betriebsart bei Erreichen eines durch die Kenngröße (22) bestimmten Prüfstroms (I) erfolgt.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Zündkerzen (5) angelegte Prüfspannung deutlich niedriger ist als die zur Erzeugung eines Zünd­ funkens notwendige Durchbruchspannung und vorzugsweise 5 V-10 V beträgt.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Prüfspannung vor der Zündspannung, vorzugsweise während des Ausschiebehubes des Kolbens (3) angelegt wird.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Prüfstroms (I) an jeder Zündkerze (5) einzeln und etwa im gleichen Kurbelwinkelbereich während des jeweiligen Arbeitsspiels der Zylinder (2) erfolgt.