DE10024258C2

DE10024258C2 - Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10024258C2
Application number: DE2000124258
Authority: DE
Inventors: Tobias Flaemig-Vetter; Ulrich Heinl; Thomas Muehleisen
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: DE10024258A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschi ne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der JP 10288113 A1 ist ein Verfahren und eine Vor richtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Vor richtung umfaßt eine Speicherkammer zur Kraftstoffver sorgung von Einspritzventilen. Während des Öffnens der Ein spritzventile ist vorgesehen, den Druck in der Speicher kammer zu erhöhen, um so eine Druckwelle zu erzeugen. Hier durch soll die Einspritzung verbessert werden. Während des Öffnungs- und Schließvorgangs bildet das Einspritzventil jedoch eine Drosselstelle, die eine gute Kraftstoffzer stäubung aufgrund des Druckabfalls verhindert. Die Druck welle vergrößert dabei die unzureichend zerstäubte Kraft stoffmenge noch.

Aus der DE 195 12 270 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit elektrisch betätigten Ein spritzventilen für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine und einem von einer kontinuierlich fördernden Kraftstoff pumpe beaufschlagten Common-Rail-Druckspeicher bekannt. Vom Common-Rail-Druckspeicher führt eine Leitung mit einem Zwischenspeicher zu jeweils einem Einspritzventil. Der Zwischenspeicher ist mit einer Vorrichtung zur Volumen änderung ausgestaltet. Die Vorrichtung zur Volumenänderung ist von einer Kennfeldsteuerung der Brennkraftmaschine betätigt, wobei zu jedem Betriebspunkt der Brennkraft maschine ein optimales Volumen des Zwischenspeichers be wirkt ist. Der Zwischenspeicher beeinflußt mit seiner Größe die Druckanstiegsgeschwindigkeiten an den Einspritz ventilen. Bei großem Volumen des Zwischenspeichers etwa bei hoher Last der Brennkraftmaschine kann ein schneller Druck anstieg erzielt werden, weil der Druckabfall zu Beginn der Einspritzung klein ist und umgekehrt.

Mit einer derartigen Vorrichtung ist es nicht über den ge samten Drehzahl- und Lastbereich einer Brennkraftmaschine möglich, ausreichend zerstäubten Kraftstoff in die Brenn räume der Brennkraftmaschine einzuspritzen, da während der Öffnungs- und Schließphase des jeweiligen Einspritzventils zwischen Düsennadel und Düsensitz eine Drosselstelle gebil det wird. Diese Drosselstelle behindert den Kraftstofffluß von dem Common-Rail-Druckspeicher durch die Einspritzöff nungen des Einspritzventils und bewirkt eine unzureichende Zerstäubung des Kraftstoffes mit der Folge einer unvoll ständigen Verbrennung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ge nannten Gattung zu schaffen, das eine verbesserte Verbren nung von Kraftstoff ermöglicht. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit tels derer das Verfahren ausführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschi ne wird erreicht, daß die Kraftstoffmenge im Zeitintervall des nicht voll geöffneten Spaltes zwischen Ventilsitz und Düsennadel der Einspritzventile minimiert wird. Dazu ist eine fluidisch mit dem ventilseitigen Abschnitt der Kraft stoffleitung, stromab einer Drossel in der Kraftstofflei tung verbundene Vorrichtung zur Druckmodulierung des Kraft stoffdruckes am Einspritzventil vorgesehen. Die Vorrichtung zur Druckmodulierung bringt auf den in dem Druckraum an den Einspritzöffnungen des Einspritzventils anliegenden Kraft stoffdruck des Common-Rail-Druckspeichers zusätzlichen Druck auf oder reduziert den Kraftstoffdruck im Druckraum an den Einspritzöffnungen. Dabei wird über das Zeitinter vall eines jeden Einspritzvorganges der Kraftstoffdruck so gesteuert, daß zu Beginn des Einspritzvorganges der Kraft stoffdruck gegenüber dem Druck im Common-Rail-Druckspeicher abgesenkt, anschließend nivelliert und schließlich vergrö ßert wird. Die Vorrichtung zur Druckmodulierung ist im we sentlichen aus einem Druckzylinder und einem darin ver schiebbar gehaltenen Kolben gebildet. Der Kolben ist vor zugsweise durch einen Piezoaktor betätigt, wobei der Piezo aktor von einer Kennfeldsteuerung der Brennkraftmaschine angesteuert ist.

Es kann zweckmäßig sein, den Kolben in dem Druckzylinder als doppelt wirkenden Kolben auszubilden, wobei die Druck räume zu beiden Seiten des Kolbens in dem Druckzylinder mit je einer fluidischen Verbindung an die Kraftstoffleitung gekoppelt sind. Die Vorrichtung zur Druckmodulierung ist dabei mit zwei fluidischen Verbindungen stromauf und strom ab der Drossel mit der Kraftstoffleitung zwischen dem Com mon-Rail-Druckspeicher und dem Einspritzventil verbunden.

Zur baulichen Vereinfachung der Kraftstoffeinspritzanlage ist es zweckmäßig, die Drossel in die Vorrichtung zur Druckmodulierung zu integrieren. Dies wird erreicht, indem ein Spalt, vorzugsweise ein Ringspalt, zwischen dem Kolben und der Zylinderinnenwand der Vorrichtung zur Druckmodulie rung gebildet ist. Der Spalt hat die Funktion der Drossel. Der gesamte Kraftstoffvolumenstrom zwischen dem Common- Rail-Druckspeicher und dem Einspritzventil wird von einem ersten Druckraum zwischen dem Kolben und der Innenwand des Druckzylinders und dem Spalt zu dem zweiten Druckraum zwi schen dem Kolben und der Innenwand des Druckzylinders zum Einspritzventil geleitet. Vorzugsweise sind der Kolbenman tel des Kolbens und diesem gegenüberliegende Zylinderinnen wandbereiche des Druckzylinders konisch ausgebildet.

Zur Erzeugung eines Druckabfalls im Druckraum des Ein spritzventils durch Kontraktion des Piezoaktors und die daraus resultierende Volumenvergrößerung wird vom Kolben zunächst nur eine sehr kleine Drosselöffnung freigegeben, die dann mit zunehmendem Kolbenweg größer wird und nach vollständiger Öffnung des Einspritzventils einen schnellen Druckausgleich zwischen dem Kraftstoffdruck in dem Common- Rail-Druckspeicher und der Einspritzdüse ermöglicht. Bei einer anderen Bauart kann es zweckmäßig sein, anstelle ei nes Spaltes die Drossel als Durchgangsbohrung in dem Kolben auszubilden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Kraftstoffein spritzanlage mit einer Vorrichtung zur Druckmodu lierung,

Fig. 2a einen Verlauf der Steuerspannung eines Piezoaktors einer Vorrichtung zur Druckmodulierung,

Fig. 2b einen Verlauf des Kolbenweges eines mit einem Pie zoaktor betätigten Kolbens einer Vorrichtung zur Druckmodulierung,

Fig. 3a den Verlauf des Kraftstoffdruckes im Common-Rail- Druckspeicher,

Fig. 3b den Verlauf des Kraftstoffdruckes in einem ventil seitigen Abschnitt der Kraftstoffleitung,

Fig. 3c den Weg der Düsennadel eines Einspritzventils über den Ansteuerzeitraum des Piezoaktors,

Fig. 4 eine Ausführungsvariante zu Fig. 1,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsvariante zu Fig. 4 mit ei ner in die Vorrichtung zur Druckmodulierung inte grierten Drossel.

In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff mit einer Vor richtung zur Druckmodulierung 17 gezeigt. Die Vorrichtung 1 dient zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff 2 in Brennräume 3 einer Brennkraftmaschine 4. Jeweils ein Ein spritzventil 5 ist an einem Zylinder 6 der Brennkraftma schine 4 festgelegt und ein Druckraum 14 in dem Einspritz ventil 5 ist mit Kraftstoff 2 beaufschlagt. Eine kontinu ierlich fördernde Kraftstoffpumpe 7 fördert Kraftstoff 2 mit hohem Druck in einen Common-Rail-Druckspeicher 8, von dem jeweils eine Kraftstoffleitung 9 zu jedem Einspritzven til 5 der Brennkraftmaschine 4 führt. Zwischen dem Common- Rail-Druckspeicher 8 und dem Einspritzventil 5 ist in der Kraftstoffleitung 9 eine Drossel 21 vorgesehen. Durch die Drossel 21 wird die Kraftstoffleitung 9 in einem druckspei cherseitigen Abschnitt 9' und einen ventilseitigen Ab schnitt 9* unterteilt. Das Einspritzventil 5 ist im wesent lichen durch eine Düsennadel 28 im Gehäuse des Einspritz ventils 5 gebildet, die in dem Druckraum 14 auf einen Ven tilsitz 11 gepreßt ist und diesen alternierend öffnet und schließt. Zwischen dem Ventilsitz 11 und dem Brennraum 3 sind Einspritzöffnungen 15 im Gehäuse des Einspritzventils 5 angeordnet, durch die der in den Brennraum 3 einsprit zende Kraftstoff 2 zerstäubt wird.

Der einzuspritzende Kraftstoff 5 gelangt von der Kraft stoffleitung 9 zu dem Druckraum 14 in dem Einspritzventil 5 und wird von diesem aus, wenn die Düsennadel 28 sich um den Weg x_N vom Ventilsitz 11 wegbewegt, über die Einspritzöff nungen 15 in den Brennraum 3 eingespritzt. Stromab der Drossel 21 ist an dem ventilseitigen Abschnitt 9* der Kraftstoffleitung 9 über eine fluidische Verbindung 18 die Vorrichtung zur Druckmodulierung 17 des Kraftstoffdruckes im Einspritzventil 5 angeordnet. Vorteilhaft ist die Vor richtung zur Druckmodulierung 17 aus einem Piezoaktor 19, durch den ein Kolben 20 in einem Druckzylinder 16 betätigt ist, gebildet. Der Piezoaktor 19 wird von einer Kennfeld steuerung 26 der Brennkraftmaschine 4 angesteuert und da durch der Kolben 20 um den Weg x_K bewegt. In dem Druckraum 27 unter dem Kolben 20 wird dadurch der Kraftstoffdruck schlagartig erhöht oder verringert.

Fig. 2a verdeutlicht einen Verlauf der Steuerspannung U_A der Kennfeldsteuerung 26 auf den Piezoaktor 19 der Vorrich tung zur Druckmodulierung. Zum Zeitpunkt t₁ zu Beginn des Einspritzvorganges wird der Piezoaktor 19 ausgehend von ei ner Endspannung U_E vollständig entladen, so daß er kontra hiert und den Kolben 20 um den Weg x_K (vergl. Fig. 2b) aus lenkt. In einem bestimmten zeitlichen Abstand wird zum Zeitpunkt t₂ der Piezoaktor 19 wieder angesteuert, so daß er seinen Ausgangszustand maximaler Ausdehnung wieder ein nimmt und dabei eine Verschiebung des Kolbens 20 schlagar tig um den Weg -x_K bewirkt, wie dies die Fig. 2b zeigt. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem Einspritzintervall eines jeden Einspritzventils der Brennkraftmaschine.

Fig. 3a zeigt den Verlauf des Kraftstoffdruckes P_R in dem Common-Rail-Druckspeicher 8 in Fig. 1. Wie zu sehen ist, ist der Kraftstoffdruck P_R im Betrieb der Brennkraftmaschi ne in dem Common-Rail-Druckspeicher konstant.

Fig. 3b zeigt den Druckverlauf des Kraftstoffdruckes P_D in der Leitung 9 zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher 8 und dem Einspritzventil 5 stromab der Drossel 21 (vergl. Fig. 3b). Nach dem Zeitpunkt t₁, bei Auslenkung des Kolbens, wird das Volumen des Druckraumes 27 (vergl. Fig. 1) vergrö ßert und der Kraftstoffdruck P_D bis zu den Einspritzöffnun gen des Einspritzventils fällt dabei trotz gleichbleibendem Druck P_R im Common-Rail-Druckspeicher 8 kurzfristig ab, bis er nach einem Druckausgleich über die Drossel 21 wieder das Niveau des Kraftstoffdruckes P_R im Common-Rail-Druckspei cher erreicht.

Fig. 3c zeigt den Weg x_N der Düsennadel 28 des Einspritz ventils in Fig. 1 über den Ansteuerzeitraum des Piezoaktors 19 aufgetragen. In dem Zeitintervall zwischen t₁ und t₂, in dem der Piezoaktor 19 den Kolben 20 ansteuert und der Druck in dem Druckraum 27 gesenkt ist, tritt eine konstante li neare Öffnungsbewegung der Düsennadel 28 des Einspritzven tils 5 ein. Während dieser Öffnungsbewegung der Düsennadel 28 ist, wie Fig. 3b zeigt, der Kraftstoffdruck in dem Druckraum 27 abgesenkt. Diese Maßnahme bewirkt, daß weniger Kraftstoff während des Öffnungsvorganges des Einspritzven tils durch die Einspritzöffnungen 15 gelangt und unvoll ständig zerstäubt werden könnte. Erst etwa zum Zeitpunkt der vollständigen Öffnung der Einspritzöffnungen des Ein spritzventils 5, zum Zeitpunkt t₂, ist der volle Zerstäu bungsdruck P_D in dem Druckraum 27 anliegend.

Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff 1 mit einem doppelt wirkendem Kolben 22 im Druckzylinder 16 in der Vor richtung zur Druckmodulierung 17. Für gleiche Bauteile gel ten dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1. Die beiden Druckräume 27, 27' zu beiden Seiten des Kolbens in dem Druckzylinder 16 der Vorrichtung zur Druckmodulierung 17 sind mit einer fluidischen Verbindung 18, 18' mit dem druckspeicherseitigen Abschnitt 9' und dem ventilseitigen Abschnitt 9* der Kraftstoffleitung 9 verbunden, wobei die Drossel 21 demgemäß zwischen den jeweiligen Anschlüssen der Verbindungen 18, 18' angeordnet ist.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff 1 mit einer in die Vorrichtung zur Druckmodulierung 17 integrierten Dros sel 21. Der doppelt wirkende Kolben 22 hat einen Kolbenman tel 25, welcher in gleicher Weise konisch zum Druckraum 27 verläuft wie ein axialer Bereich der Zylinderinnenwand 24 des Druckzylinders 16. Zwischen dem Kolbenmantel 25 und dem Bereich der Zylinderinnenwand 24 ist ein Spalt 23 gebildet, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Ringspalt ist und die Funktion der Drossel 21 einnimmt. Der gesamte Kraftstoffvolumenstrom zwischen dem Common-Rail-Druckspei cher 8 und dem Einspritzventil 5 wird von dem ersten Druck raum 27' im Druckzylinder 16 der Vorrichtung zur Druckmodu lierung 17 über den Spalt 23 in den zweiten Druckraum 27 und von dort zum Druckraum 14 des Einspritzventils 5 ge führt. Bei Erzeugung des Druckabfalls im Druckraum 27 und 14 durch Kontraktion des Piezoaktors 19 wird der Kolben 22 zunächst nur eine sehr kleine Drosselöffnung freigeben, die dann mit wachsender Ansteuerung des Kolbens 22 in diesem Sinne größer wird und einen schnellen Druckausgleich zwi schen dem Kraftstoffdruck in dem Common-Rail-Druckspeicher 8 und dem Druckraum 14 der Einspritzdüse 5 ermöglicht.

Claims

1. Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff (2) in Brennräume (3) einer Brennkraftmaschine (4), bei dem der Kraftstoff aus einem Common-Rail-Druckspeicher (8) über eine Kraftstoffleitung (9) Einspritzventilen (5) an den jeweiligen Zylindern (6) zugeführt und bei aus einem Ventilsitz abgehobener Düsennadel (28) unmit telbar in den Brennraum eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffleitung (9) mittels einer Drossel (21) in einen druckspeicherseiti gen Abschnitt (9') und einen ventilseitigen Abschnitt (9*) unterteilt wird und daß im ventilseitigen Ab schnitt über das Zeitintervall eines jeden Einspritz vorganges der Kraftstoffdruck durch Druckmodulierung gesteuert wird, wobei zu Beginn des Einspritzvorganges der Kraftstoffdruck gegenüber dem Druck im Common-Rail- Druckspeicher (8) abgesenkt, anschließend nivelliert und schließlich vergrößert wird.

2. Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck modulierung (17) von einer Kennfeldsteuerung (26) der Brennkraftmaschine (4) gesteuert wird.

3. Vorrichtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff (2) in Brennräume (3) einer Brennkraftmaschine (4) mit jeweils einem Einspritzventil (5) an den jeweiligen Zy lindern (6) der Brennkraftmaschine (4), mit einem Common-Rail-Druckspeicher (8), von dem jeweils eine Kraft stoffleitung (9) zu Einspritzöffnungen (15) jedes Ein spritzventils (5) führt, und mit einer Vorrichtung zur Druckmodulierung (17) des Kraftstoffdruckes an den Ein spritzöffnungen (15), dadurch gekennzeichnet, daß in der Kraftstoffleitung (9) eine Drossel (21) angeordnet ist, wodurch die Kraftstoffleitung (9) einen druckspeicherseitigen Ab schnitt (9') und einen ventilseitigen Abschnitt (9*) umfaßt und die Vorrichtung zur Druckmodulierung (17) fluidisch mit dem ventilseitigen Abschnitt (9*) gekop pelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Druck modulierung (17) durch einen Druckzylinder (16) gebil det ist, in dem ein Kolben (20) verschiebbar gelagert ist und eine fluidische Verbindung (18) eines von dem Kolben (20) und dem Druckzylinder (16) gebildeten Druckraumes (27) stromab der Drossel (21) in der Kraft stoffleitung (9) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckzylinder (16) ein doppelt wirkender Kolben (22) angeordnet ist und eine fluidische Verbindung (18') des Druckzylinders (16) stromauf und eine fluidische Verbindung (18) stromab der Drossel (21) mit der Kraftstoffleitung (9) gebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (21) und die Vorrichtung zur Druckmodulierung (17) baulich zusammen gefaßt sind und die Drossel (21) durch einen Spalt (23) zwischen dem Kolben (22) und der Zylinderinnenwand (24) des Druckzylinders (16) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (21) durch eine Bohrung in dem Kolben (22) gebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenmantel (25) des Kolbens (22) und das dem Kolbenmantel (25) gegenüber liegende Zylinderinnenwandsegment (24) des Druckzylin ders (16) konisch ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Anprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Betätigungselement für den Kolben (20, 22) ein Piezoaktor (19) vorgesehen ist.