DE10011711A1 - Fuel injection method for IC engine has control voltage for fuel injection valve setting element modulated with additional AC voltage and/or HF oscillation of supplied fuel - Google Patents
Fuel injection method for IC engine has control voltage for fuel injection valve setting element modulated with additional AC voltage and/or HF oscillation of supplied fuelInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for injecting a Fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Aus der DE 39 36 619 C2 ist ein Verfahren zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein als magnetostrikti ver Stab ausgebildetes Stellglied einer Einspritzdüse peri odisch einen Freigabequerschnitt einer Drosselstelle der Einspritzdüse verändert. Die Steuerspannung für den magne tostriktiven Stab wird von einer Elektronik zeitlich modu liert, wobei der Freigabequerschnitt in Rechteckimpulsen verändert wird. Insbesondere wird der Bewegungsverlauf des magnetostriktiven Stabes der Einspritzdüse und damit die eingespritzte Kraftstoffmenge eines Einspritzintervalls in zeitlich getrennten Einzelschritten gesteuert, so daß eine absätzige Zugabe von Kraftstofftropfen in den Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt. Die mittlere Tropfengröße bleibt über das Einspritzintervall unverändert. Die Quali tät der Gemischbildung bei direkteinspritzenden Brennkraft maschinen ist hierbei nicht optimal zu gestalten.DE 39 36 619 C2 describes a method for injecting of a fuel in a combustion chamber of a self-igniting Internal combustion engine known in which a magnetostrikti ver rod-shaped actuator of an injection nozzle peri or a release cross section of a throttle point Injector changed. The control voltage for the magne tostrictive rod is temporally modulated by electronics liert, the release cross-section in rectangular pulses is changed. In particular, the course of movement of the magnetostrictive rod of the injection nozzle and thus the injected fuel quantity of an injection interval in time-controlled individual steps controlled so that a excessive addition of fuel drops in the combustion chamber of the Internal combustion engine takes place. The average drop size remains unchanged over the injection interval. The qualification act of mixture formation with direct injection internal combustion machines cannot be optimally designed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine homogene Ge mischaufbereitung im Brennraum von direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen bei gleichzeitiger Langzeitstabilisie rung des Spritzverhaltens der Einspritzdüsen zu erzielen.The invention has for its object a homogeneous Ge Mix preparation in the combustion chamber of direct injection Internal combustion engines with simultaneous long-term stabilization To achieve the spray behavior of the injection nozzles.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Einspritzen ei nes Kraftstoffes in einen Brennraum einer Brennkraftmaschi ne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst.This task is accomplished by an injection method nes fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine ne solved according to the preamble of claim 1.
Eine gute Gemischaufbereitung, insbesondere bei direktein spritzenden Brennkraftmaschinen, ist unter anderem von ei ner gleichmäßigen Kraftstoffverteilung im Brennraum der Brennkraftmaschine, von der Tropfengröße, insbesondere von der Anzahl kleiner Tropfen mit der Fähigkeit, rasch sich mit Luftsauerstoff im Brennraum zu vermischen und zu ver dampfen, abhängig. Um eine homogene Gemischaufbereitung zu ermöglichen, wobei je nach Betriebspunkt der Brennkraftma schine eine definierte Kraftstoffmenge je Einspritzvorgang in den Brennraum einzuspritzen ist, ist es vorteilhaft, die Tropfengröße der Kraftstofftröpfchen während eines Ein spritzvorganges unterschiedlich groß zu gestalten. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, daß genügend kleine Tropfen zur raschen Bildung eines zündfähigen Gemisches und ent sprechend große Tropfen zur Durchdringung des Brennraumes bereitgestellt werden.A good mixture preparation, especially with direct ones spraying internal combustion engines, is from among others ner even fuel distribution in the combustion chamber Internal combustion engine, of the drop size, in particular of the number of small drops with the ability to quickly to mix and mix with atmospheric oxygen in the combustion chamber vaping depending. To ensure a homogeneous mixture preparation allow, depending on the operating point of the internal combustion engine a defined amount of fuel per injection process is to be injected into the combustion chamber, it is advantageous to Drop size of the fuel droplets during an on to make injection molding different sizes. By this measure will cause enough small drops for the rapid formation of an ignitable mixture and ent speaking large drops to penetrate the combustion chamber to be provided.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einspritzen von Kraft stoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine sieht vor, daß ein durch eine Elektronik angesteuertes Stellglied mit einer zeitlich modulierbaren konstanten Steuerspannung angesteuert wird. Durch diese Maßnahme wird ein Freigabe querschnitt einer Kraftstoff-Drosselstelle an einer Ein spritzdüse verändert, insbesondere geöffnet und geschlossen und unter Druck an dem Freigabequerschnitt anliegender Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einge spritzt. Um in Abhängigkeit vom momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ein definiertes Kraftstoffvolumen je Einspritzvorgang einzuspritzen, wobei das Kraftstoffvolumen in verschieden große Tröpfchen zerstäubt wird, ist es er findungsgemäß vorgesehen, auf die Steuerspannung des Stell gliedes eine Wechselspannung aufzumodulieren und/oder mit einem Schwingungsgenerator hochfrequente Schwingungen auf den in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzen den Kraftstoff aufzubringen. Die Aufmodulierung der Zu satzwechselspannung auf die Steuerspannung des Stellgliedes bewirkt einen über den Einspritzvorgang variierenden Stellweg des Stellgliedes und eine Variation der Größe des Freigabequerschnitts an der Kraftstoff-Drosselstelle der Einspritzdüse. Es ergeben sich dadurch über den zeitlichen Verlauf des Einspritzvorganges variierende Tropfengrößen des eingespritzten Kraftstoffes.An inventive method for injecting force sees material in a combustion chamber of an internal combustion engine before that an actuator controlled by electronics with a constant control voltage that can be modulated over time is controlled. This measure will be a release cross-section of a fuel throttle at an spray nozzle changed, in particular opened and closed and under pressure on the release cross section Fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine splashes. To depending on the current operating point the internal combustion engine a defined fuel volume each Inject process to inject the fuel volume it is atomized into droplets of different sizes provided according to the invention, on the control voltage of the actuator link to modulate an AC voltage and / or with a vibration generator on high-frequency vibrations to inject into the combustion chamber of the internal combustion engine to apply the fuel. The modulation of the zu AC voltage on the control voltage of the actuator causes a varying over the injection process Travel of the actuator and a variation in the size of the Release cross section at the fuel throttle point of the Injector. This results in the temporal Course of the injection process varying droplet sizes of the injected fuel.
Die Zusatzwechselspannung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise phasengleich mit der Steuerspannung auf das Stellglied aufmoduliert und additiv mit dieser Steuerspannung während des Einspritzvorganges verknüpft. Es kann zweckmäßig sein, die Gemischaufbereitung im Brennraum der Brennkraftmaschine dadurch zu verbessern, daß die Zu satzwechselspannung in Zeitintervallen, die sich von den Zeitintervallen der Steuerspannung in ihrer Länge unter scheiden, auf die Steuerspannung aufmoduliert wird. Die Zu satzwechselspannung verläuft vorzugsweise sinusförmig, wo mit ein harmonischer Kurvenverlauf der Anstiegs- und Ab stiegsflanken der Bewegungen des Stellgliedes bewirkt wird. Der Verlauf der Steuerspannung über die Zeit des Einspritz vorganges kann sowohl geradlinig als auch leicht konkav oder konvex sein.The additional AC voltage is in the invention Method preferably in phase with the control voltage modulated onto the actuator and additive with it Control voltage linked during the injection process. It can be useful, the mixture preparation in the combustion chamber to improve the internal combustion engine in that the zu AC voltage in time intervals that differ from the Time intervals of the control voltage in their length below divide, is modulated onto the control voltage. The To AC voltage is preferably sinusoidal, where with a harmonious curve of the ascent and descent rising edges of the movements of the actuator is effected. The course of the control voltage over the time of the injection process can be both straight and slightly concave or be convex.
Der Schwingungsgenerator erzeugt hochfrequente Schwingun gen, vorzugsweise Ultraschallwellen. Der Schwingungsgenerator kann der Summe aller Kraftstoff-Druckleitungen der Brennkraftmaschine zugeordnet sein. Es kann auch zweckmäßig sein, jeder Kraftstoffdruckleitung eines Zylinders der Brennkraftmaschine einen Schwingungsgenerator zuzuordnen. Vorzugsweise ist dieser an jedem Einspritzventilkörper an gebracht und als Membranschwinger oder Piezoschwinger aus gebildet.The vibration generator generates high-frequency vibrations gene, preferably ultrasonic waves. The vibration generator can be the sum of all fuel pressure lines Internal combustion engine to be assigned. It can also be useful be, each fuel pressure line of a cylinder Internal combustion engine to assign a vibration generator. This is preferably on each injection valve body brought and from membrane vibrators or piezo vibrators educated.
Durch die Aufmodulierung der Zusatzwechselspannung auf die Steuerspannung ergibt sich eine Zunahme des Stellweges des Stellgliedes bei positiver Zusatzwechselspannung und umge kehrt. Dadurch ist eine entsprechende Vergrößerung oder Verkleinerung der Tropfengröße des eingespritzten Kraft stoffes für die Zeit des Einspritzvorganges bewirkt. Es kann insbesondere zum Zweck der Selbstreinigung der Ein spritzdüse zweckmäßig sein, die Frequenz der Zusatzwech selspannung ähnlich oder identisch mit der Eigenfrequenz der Einspritzdüse zu wählen.By modulating the additional AC voltage on the Control voltage results in an increase in the travel of the Actuator with positive additional AC voltage and vice versa returns. This is a corresponding increase or Reducing the drop size of the injected force effect for the time of the injection process. It can be used especially for the purpose of self-cleaning spray nozzle be useful, the frequency of the additional change voltage similar or identical to the natural frequency the injector to choose.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:An embodiment of the invention is below hand of the drawing explained in more detail. The drawing shows:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse mit zerstäubtem Kraftstoff, Fig. 1 a longitudinal section through an injection nozzle with atomized fuel,
Fig. 2 einen Verlauf der Steuerspannung, Zusatzwechsel spannung und der Bewegung des Stellgliedes der Ein spritzdüse. Fig. 2 shows a curve of the control voltage, additional AC voltage and the movement of the actuator of a spray nozzle.
In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Einspritzdüse 4 mit in Kraftstofftropfen 14 zerstäubten Kraftstoff 1 ge zeigt. Die Einspritzdüse 4 besteht im wesentlichen aus ei nem Düsenhalter 16, in dem längsbeweglich ein Stellglied 3 als Magnetostriktionselement 15 gelagert ist. In dem Düsenhalter 16 ist ein Kraftstoffkanal 21 ausgebildet, der aus gehend von einem Schraubflansch 22 an der Außenseite des Düsenhalters 16 sich zu einem Freigabequerschnitt 7 einer Kraftstoff-Drosselstelle 8 des Düsenhalters erstreckt. Das Stellglied 3 besitzt die Fähigkeit, sich unter Einwirkung eines magnetischen Feldes zusammenzuziehen und beim Ab schalten des magnetischen Feldes diese Dehnung wieder rück gängig zu machen.In Fig. 1 is a longitudinal section through an injection nozzle 4 with atomized in fuel drops 14 fuel 1 shows ge. The injection nozzle 4 consists essentially of egg NEM nozzle holder 16 , in which an actuator 3 is mounted as a magnetostriction element 15 . In the nozzle holder 16 , a fuel channel 21 is formed, which extends from a screw flange 22 on the outside of the nozzle holder 16 to a release cross section 7 of a fuel throttle 8 of the nozzle holder. The actuator 3 has the ability to contract under the action of a magnetic field and when switching off the magnetic field to make this expansion back again.
Das Stellglied 3 endet auf seiner einen Seite in einer me tallischen Düsennadel 17, welche auf den Freigabequer schnitt 7 der Kraftstoff-Drosselstelle 8 wirkt und in der Lage ist, den Freigabequerschnitt 7 wahlweise zu öffnen oder zu verschließen. An dem Freigabequerschnitt 7 liegt der in den Brennraum 2 einzuspritzende Kraftstoff 1 unter Druck an. Das Stellglied 3 ist in dem Düsenhalter 16 von einem hülsenförmigen Solenoid 18 mit Spiel umgeben. Das So lenoid 18 wird durch eine Elektronik 5 mit einer getakteten Steuerspannung 6 in Form von Rechteckimpulsen (s. Fig. 2) alternierend versorgt. In geschlossenem Zustand des Freiga bequerschnitts 7 liegt die Düsennadel 17 auf einem den Freigabequerschnitt 7 umgebenden Ventilsitz auf. Das So lenoid 18 ist strombeaufschlagt, so daß kein magnetischer Rückschluß 19 von einem Dauermagneten 20 im Düsenhalter 16 ausgehend auf das Magnetostriktionselement 15 wirkt und das Magnetostriktionselement 15 eine maximale Aussteuerung er fährt. Das Stellglied 3 befindet sich zu diesem Zeitpunkt im Zustand größter Längenausdehnung. Der Freigabequer schnitt 7 der Einspritzdüse 4 ist geschlossen (vergl. Fig. 1). Soll mittels Abhebens der Düsennadel 17 vom Freigabe querschnitt 7 das Zerstäuben von Kraftstoff 1 eingeleitet werden, so geschieht dies auf folgende Weise: Infolge Un terbrechung des Stromflusses im Solenoid 18 über ein Zeit intervall ta (vergl. Fig. 2) wird ein dauermagnetischer Schluß 19 von dem Dauermagneten 20 auf das Magnetostrikti onselement bewirkt, was ein Verkürzen des Magnetostrikti onselements 15 auf eine der gewünschten Öffnungsposition der Düsennadel 17 entsprechenden Länge zur Folge hat. Kraftstoff 1 wird durch den Freigabequerschnitt 7 der Ein spritzdüse 4 gepreßt und in Tröpfchen 14 zerstäubt. Ist die Steuerspannung 6 der Elektronik 5 konstant, so ergibt sich über das Zeitintervall ta eine konstante mittlere Tropfen größe.The actuator 3 ends on one side in a metallic nozzle needle 17 , which acts on the release cross section 7 of the fuel throttle 8 and is able to open or close the release cross section 7 either. The fuel 1 to be injected into the combustion chamber 2 is under pressure at the release cross section 7 . The actuator 3 is surrounded in the nozzle holder 16 by a sleeve-shaped solenoid 18 with play. The lenoid 18 is alternately supplied by electronics 5 with a clocked control voltage 6 in the form of rectangular pulses (see FIG. 2). When the clearance section 7 is closed, the nozzle needle 17 rests on a valve seat surrounding the release section 7 . The lenoid 18 is supplied with current, so that no magnetic yoke 19 acts from a permanent magnet 20 in the nozzle holder 16 on the magnetostriction element 15 and the magnetostriction element 15 is at a maximum level. At this time, the actuator 3 is in the state of greatest linear expansion. The release cross section 7 of the injector 4 is closed (see FIG. 1). If the atomization of fuel 1 is initiated by lifting off the nozzle needle 17 from the release cross-section 7 , this is done in the following way: As a result of the interruption of the current flow in the solenoid 18 over a time interval t a (see FIG. 2), a permanent magnetic circuit becomes 19 caused by the permanent magnet 20 on the magnetostrictive on element, which has the result of shortening the magnetostrictive on element 15 to a length corresponding to the desired opening position of the nozzle needle 17 . Fuel 1 is pressed through the release cross section 7 of a spray nozzle 4 and atomized into droplets 14 . If the control voltage 6 of the electronics 5 is constant, there is a constant mean drop size over the time interval t a .
Wird die Steuerspannung 6 wieder angeschaltet, so wird das Magnetfeld erzeugende Solenoid 18 erregt und das Magneto striktionselement 15 erfährt eine Längenausdehnung. Der Freigabequerschnitt 7 der Einspritzdüse 4 wird durch die Düsennadel 17 wieder geschlossen. Der Einspritzvorgang von Kraftstofftropfen 14 in den Brennraum 2 ist beendet.If the control voltage 6 is switched on again, the magnetic field generating solenoid 18 is excited and the magneto restriction element 15 experiences a linear expansion. The release cross section 7 of the injection nozzle 4 is closed again by the nozzle needle 17 . The injection process of fuel drops 14 into the combustion chamber 2 has ended.
Um die Tropfengröße der Kraftstofftropfen 14 über das Zeit intervall ta des Einspritzvorganges in weitem Bereich zu variieren und somit in den Brennraum 2 der Brennkraftma schine kleine Tropfen, welche zur Bildung eines rasch zünd fähigen Kraftstoffnabels und große Tropfen, welche in der Lage sind, den Brennraum 2 in gewünschter Weise zu durch dringen, einzuspritzen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, ei ne Zusatzwechselspannung 9 auf die Steuerspannung aufzumo dulieren (vergl. Fig. 2). Durch diese Maßnahme wird das Ma gnetostriktionselement 15 und die Düsennadel 17 zu transla torischen Schwingungen angeregt, über das Zeitintervall ta des Einspritzvorganges wird dadurch der Freigabequerschnitt 7 verändert und die Tropfengröße d1, d2 der Kraftstoff tröpfchen 14 variiert. An Stelle der Aufmodulation von ei ner Zusatzwechselspannung 9 auf die Steuerspannung 6 kann es zweckmäßig sein, während des Einspritzvorganges mit Hilfe eines Schwingungsgenerators 10 mechanische Schwingungen auf den unter Druck einspritzenden Kraftstoff 1 aufzu bringen, wodurch die Tropfengröße der Kraftstofftröpfchen variiert wird. Beide Maßnahmen der Schwingungseinleitung können auch gleichzeitig angewandt werden. Der Schwingungs generator 10 ist vorteilhaft als Membranschwinger oder Pie zoschwinger an jeder Einspritzdüse 4 der Brennkraftmaschine oder an Hochdruckkraftstoffleitungen oder an der Brenn kraftmaschine selbst angebracht.In order to vary the droplet size of the fuel droplets 14 over a wide range over the time interval t a of the injection process and thus into the combustion chamber 2 of the internal combustion engine, small droplets which form a rapidly ignitable fuel umbels and large droplets which are capable of Combustion chamber 2 in the desired manner to penetrate, to inject, is provided according to the invention, aufiumo ei ne additional AC voltage 9 to the control voltage (see. Fig. 2). By this measure, the magnetostriction element 15 and the nozzle needle 17 are excited to translatory vibrations, over the time interval t a of the injection process, the release cross section 7 is changed and the droplet size d 1 , d 2 of the fuel droplets 14 varies. In place of the Aufmodulation of egg ner supplemental AC voltage 9 to the control voltage 6 it can be advantageous during the injection process bring aufzu with the aid of a vibration generator 10 mechanical vibration to the injecting pressurized fuel 1 is varied so that the droplet size of the fuel droplets. Both measures of introducing vibrations can also be used simultaneously. The vibration generator 10 is advantageously attached as a membrane oscillator or piezo oscillator to each injector 4 of the internal combustion engine or to high-pressure fuel lines or to the internal combustion engine itself.
Vorzugsweise hat die Zusatzwechselspannung 9 eine Ultra schallfrequenz und der Schwingungsgenerator 10 erzeugt Schwingungen im Ultraschallbereich.Preferably, the additional AC voltage 9 has an ultrasonic frequency and the vibration generator 10 generates vibrations in the ultrasonic range.
Fig. 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Steuerspannung 6 der Zusatzwechselspannung 9 und des Stellweges s des Stell glieds 3 über das Zeitintervall ta des Einspritzvorganges. Zum Zeitpunkt t1 beaufschlagt die Elektronik 5 (vergl. Fig. 1) das Stellglied mit einer in dem gezeigten Ausfüh rungsbeispiel konstant verlaufenden Steuerspannung 6 bis zum Zeitpunkt t2. Es wird vorgenannter Einspritzvorgang in itiiert. Der Verlauf der Steuerspannung 6 über das Zeitin tervall kann zweckmäßigerweise auch leicht konkav oder kon vex sein. Fig. 2 shows a time course of the control voltage 6 of the additional AC voltage 9 and the travel s of the actuator 3 over the time interval t a of the injection process. At time t 1, the electronics 5 (see FIG. 1) acts on the actuator with a control voltage 6 that runs constantly in the exemplary embodiment shown until time t 2 . The aforementioned injection process is initiated. The course of the control voltage 6 over the time interval can also be expediently slightly concave or convex.
Phasengleich mit der Steuerspannung 6 moduliert die Elek tronik 5 eine hochfrequente Zusatzwechselspannung 9 auf die Steuerspannung 6. Vorzugsweise hat die Zusatzwechselspan nung 9 Ultraschallfrequenz. Die Zusatzwechselspannung 9 verläuft in dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sinusförmig. Gleichwohl kann es zweckmäßig sein, den Verlauf der Zu satzwechselspannung 9 in anderer Weise, beispielsweise als Rechteckspannung zu steuern. Die Zusatzwechselspannung 9 kann außerdem in zeitlich voneinander abgesetzten Interval len auf die Steuerspannung 6 aufmoduliert werden. Die Frequenz und Amplitude der Zusatzwechselspannung 49 und/oder der Steuerspannung 6 kann in Abhängigkeit von Betriebspara metern der Brennkraftmaschine verändert werden.In phase with the control voltage 6 , the electronics 5 modulates a high-frequency additional AC voltage 9 to the control voltage 6 . The additional alternating voltage 9 preferably has an ultrasonic frequency. The additional AC voltage 9 is sinusoidal in the example shown in FIG. 2. Nevertheless, it can be expedient to control the course of the alternating voltage 9 in a different way, for example as a square-wave voltage. The additional AC voltage 9 can also be modulated onto the control voltage 6 at intervals that are separated from one another in time. The frequency and amplitude of the additional AC voltage 49 and / or the control voltage 6 can be changed as a function of operating parameters of the internal combustion engine.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich durch die beschriebene konstruktive Maßnahme ein harmoni scher, sinusförmiger Kurvenverlauf des Stellweges s des Ma gnetostriktionselements 15 in Fig. 1. Mit kleiner werdendem Stellweg s ergeben sich kleinere Tropfendurchmesser d2 und umgekehrt mit größer werdendem Stellweg s ergeben sich grö ßere Tropfendurchmesser d1 an der Einspritzdüse in Fig. 1.In the example shown in Fig. 2 embodiment, a harmonized shear sinusoidal curve 1. results from the described constructive measure of the adjustment path s of Ma gnetostriktionselements 15 in Fig. Decreasing actuating path s resulting smaller droplet diameter d 2 and vice versa with increasing travel range s there are larger droplet diameters d 1 at the injection nozzle in FIG. 1.
Insbesondere wenn die Zusatzwechselspannung 9 oder die Schwingungsfrequenz des Schwingungsgenerators 10 die Eigen frequenz der Einspritzdüse aufweist, ist die Selbstreini gung der Einspritzdüse verbessert.Particularly when the additional AC voltage 9 or the oscillation frequency of the oscillation generator 10 has the natural frequency of the injection nozzle, the self-cleaning supply of the injection nozzle is improved.
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