-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Druckabbau im Hochdruckbereich
einer Einspritzanlage und eine entsprechend ausgebildete Einspritzanlage
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 10.
-
Herkömmliche
Common-Rail-Einspritzanlagen weisen in der Regel ein Volumenstromregelventil (engl.
VCV – Volume
Control Valve) und ein Hochdruckregelventil (engl. PCV – Pressure
Control Valve) auf, wobei das Volumenstromregelventil die Menge
des Kraftstoffs regelt, der der Hochdruckpumpe zugeführt wird
und dann in den Druckspeicher (engl. Common Rail) gepumpt wird,
während
das Hochdruckregelventil den Ausgang der Hochdruckpumpe mit einem
Niederdruckbereich verbindet und dadurch einen schnellen Druckabbau
in dem Hochdruckbereich und in dem Druckspeicher ermöglicht,
indem das Hochdruckregelventil aufgesteuert wird.
-
Es
ist weiterhin bekannt, bei derartigen Common-Rail-Einspritzanlagen
aus Kostengründen
auf das Hochdruckregelventil zu verzichten und den Druck in dem
Hochdruckbereich stattdessen durch das Volumenstromregelventil einzustellen,
das dazu in einer Regelschleife geregelt wird. Zum Anheben des Drucks
in dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage wird das Volumenstromregelventil
dann länger
aufgesteuert, so dass mehr Kraftstoff von der Hochdruckpumpe in
den Hochdruckbereich der Einspritzanlage gepumpt wird, was zu einem
relativ schnellen Druckaufbau führt.
Zum Absenken des Drucks in dem Hochdruckbereich wird dagegen nicht das
Volumenstromregelventil eingesetzt. Stattdessen wird zum Absenken
des Drucks in dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage die Dauerleckage der
einzelnen Injektoren ausgenutzt, wodurch der Druck in dem Hochdruckbereich
jedoch nur relativ langsam abfällt,
was bei einem Lastwechsel der Einspritzanlage dazu führen kann,
dass in dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage noch ein zu hoher Kraftstoffdruck
herrscht, was wiederum zu Einbußen im
Fahrverhalten und zu einer höheren
Verbrennungsgeräuschentwicklung
beiträgt.
-
Weiterhin
ist es bekannt, zum Druckabbau bei Einspritzanlagen ohne ein separates
Hochdruckregelventil die Magnetaktoren der einzelnen Injektoren
so anzusteuern, dass zwar die jeweiligen Steuerventile öffnen und
dadurch Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage
in den Rücklauf
fließen
lassen, aber die Düsennadel
noch nicht angehoben wird, so dass auch keine Einspritzung erfolgt.
Bei dieser Ansteuerung fließt
Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich über die geöffneten Steuerventile der einzelnen
Injektoren in den Rücklauf,
wodurch auch der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage
abgebaut werden kann. Diese Technik des Druckabbaus ist beispielsweise
aus
EP 0 745 184 B1 ,
EP 0 896 144 A2 ,
US 6 345 606 B1 ,
EP 1 018 600 A2 und
EP 1 024 274 A2 bekannt
und wurde bisher nur bei Magnetaktoren eingesetzt.
-
Aus
der
DE 199 54 023 A ist
eine Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, die einen
piezoelektrischen Aktuator aufweist, der einen zu hohen Druck dadurch
abbaut, dass er lediglich teilweise geöffnet wird. Dazu wird dem Piezoaktor
lediglich eine so kleine Menge an Ladung zugeführt, dass zwar das Einspritzloch
geschlossen bleibt, der Druck in der Hochdruckleitung jedoch vermindert
wird, indem Kraftstoff durch das Ablassventil abgelassen wird.
-
Nachteilig
bei den Verfahren zum Druckabbau nach dem Stand der Technik ist,
dass es bei Lastwechseln bei hohen Drehzahlen zu einer hohen thermischen
Belastung der Steuereinheit für
den Piezoaktor kommen kann, um den Piezoaktor innerhalb sehr kurzer
Zeit vollständig
zu öffnen
und zu schließen.
-
Durch
die heraus resultierenden hohen Beschleunigungen sinkt zudem die
Lebensdauer des Piezoaktors.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Druckabbau
im Hochdruckbereich einer Einspritzanlage vorzuschlagen, bei dem
eine übermäßige thermische
Belastung des Ansteuergeräts
des Piezoaktors vermieden wird.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren und eine
entsprechende Einspritzanlage gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
-
Die
Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, die einzelnen
Aktoren zum Druckabbau jeweils nur sehr kurz für eine bestimmte Ansteuerdauer
anzusteuern, wobei die Ansteuerdauer jeweils so kurz gewählt wird,
dass die Einspritzdüse
während der
Ansteuerdauer geschlossen bleibt. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt,
dass die Düsennadel
eines Injektors beim Öffnen
des Steuerventils erst mit einer bestimmten Zeit verzögerung angehoben
wird, so dass zwischen dem Öffnen
des Steuerventils und dem Anheben der Düsennadel bereits eine bestimmte
Menge Kraftstoff aus dem Steuerraum des Injektors in den Rücklauf abgeflossen
ist, was zu einem entsprechenden Druckabbau in dem Hochdruckbereich
der Einspritzanlage führt.
Bei einer entsprechend kurzzeitigen Ansteuerung des Aktors bleibt
die Einspritzdüse
also geschlossen, obwohl Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich in
den Rücklauf
abfließt.
-
Dabei
wird der Piezoaktor zum Druckabbau wiederholt mit einer bestimmten
Wiederholungszahl angesteuert, wodurch die Effektivität des Druckabbaus
im Vergleich mit einer einmaligen Ansteuerung erhöht werden
kann. Es wird die Motordrehzahl der Brennkraftmaschine gemessen
und zur Festlegung der Wiederholungszahl herangezogen. Bei einer
hohen Motordrehzahl führt
der Druckabfluss über
das geöffnete
Steuerventil nämlich
relativ schnell zu einem Druckabbau, so dass eine relativ geringe
Ansteuerdauer bzw. Wiederholungszahl erforderlich ist, um den gewünschten
Druckabbau zu bewirken.
-
Die
Anpassung der Wiederholungszahl an den jeweiligen Betriebszustand
der Einspritzanlage und an den gewünschten Druckabbau führt zu einer geringen
thermischen Belastung der elektronischen Motorsteuerung (ECU – Electronic
Control Unit) und zu einer verringerten mechanischen Belastung der Injektoren.
-
Vorzugsweise
liegt die Wiederholungszahl hierbei zwischen 2 und 6, d. h. der
Aktor wird während
eines Zyklus der Brennkraftmaschine jeweils zwei- bis sechsmal angesteuert.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Wiederholungszahl nicht
auf den vorstehend erwähnten
Wertebereich beschränkt, sondern
auch mit anderen Wiederholungszahlen realisierbar.
-
Vorzugsweise
ist die Ansteuerdauer und/oder die Wiederholungszahl für den Druckabbau nicht
konstant, sondern wird in Abhängigkeit
von einer Betriebsgröße der Einspritzanlage
va riiert, um den gewünschten
Druckabbau in dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage zu bewirken.
-
Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
dass die Ansteuerdauer und/oder zusätzlich die Wiederholungszahl
für den
Druckabbau in Abhängigkeit
von dem Druck in dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage festgelegt
wird. Hierzu wird mittels eines Drucksensors der Kraftstoffdruck
in dem Hochdruckbereich der Brennkraftmaschine gemessen. Die Festlegung
der Wiederholungszahl und/oder der Ansteuerdauer für den Druckabbau
in Abhängigkeit
von dem Kraftstoffdruck in dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage
ist sinnvoll, da der Kraftstoffabfluss über das geöffnete Steuerventil eines Injektors
und damit auch der Druckabbau von dem Druck in dem Hochdruckbereich
abhängt.
Bei einem großen
Druck in dem Hochdruckbereich fließt nämlich entsprechend viel Kraftstoff über ein
geöffnetes
Steuerventil in den Niederdruckbereich ab, so dass der Druck dann
relativ schnell abfällt.
Vorzugsweise nimmt die Wiederholungszahl und/oder die Ansteuerdauer
deshalb mit dem in dem Hochdruckbereich herrschenden Druck ab.
-
Darüber hinaus
besteht auch die Möglichkeit,
die Ansteuerdauer und/oder die Wiederholungszahl für den Druckabbau
in Abhängigkeit
von der in dem Injektor herrschenden Injektortemperatur, einer sonstigen
Temperatur in der Einspritzanlage oder der Brennkraftmaschine sowie
in Abhängigkeit
von der bisherigen Betriebsdauer des Injektors festzulegen.
-
Vorzugsweise
ist die Wiederholungszahl für den
Druckabbau hierbei gleich 2, wenn die Motordrehzahl größer als
4000 min–1 und
der Druck größer als
1600 bar ist. Die Wiederholungszahl ist dagegen vorzugsweise gleich
3, wenn die Motordrehzahl größer als
3000 min–1 ist
und der Druck zwischen 1500 bar und 1600 bar liegt. Bei einer Motordrehzahl
kleiner als 3000 min–1 und einem Druck zwischen
1500 bar und 1600 bar ist die Wiederholungszahl dagegen vorzugsweise
gleich 4. Ferner ist die Wiederholungszahl vorzugsweise auch gleich
4, wenn die Motordrehzahl zwischen 3000 min–1 und
4000 min–1 liegt und
der Druck kleiner als 1500 bar ist. Schließlich ist die Wiederholungszahl
vorzugsweise gleich 5, wenn die Motordrehzahl kleiner als 3000 min–1 und
der Druck kleiner als 1500 bar ist.
-
Darüber hinaus
wir die Ansteuerdauer im Rahmen der Erfindung vorzugsweise so kurz
gewählt,
dass die Einspritzdüse
während
der Ansteuerdauer unabhängig
von der Ansteuerstärke
geschlossen bleibt.
-
Ferner
ist zu erwähnen,
dass die Erfindung vorzugsweise mit einem Piezoaktor an Stelle eines herkömmlichen
Magnetaktors realisiert wird. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich
des Aktors nicht auf einen Piezoaktor beschränkt, sondern grundsätzlich auch
mit anderen Aktortypen realisierbar, wie beispielsweise auch mit
einem Magnetaktor.
-
Durch
das erfindungsgemäße Druckabbauverfahren
fällt der
Druck in dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage vorzugsweise im
Wesentlichen exponentiell mit einer bestimmten Zeitkonstanten ab, wobei
die Zeitkonstante vorzugsweise zwischen 0,5 Sekunden und 10 Sekunden
liegt.
-
Ferner
umfasst die Erfindung auch eine entsprechende Einspritzanlage mit
einer Steuereinheit, die den Aktor entsprechend ansteuert.
-
Bei
einer derartigen Einspritzanlage erfolgt die Hochdruckregelung in
dem Hochdruckbereich der Einspritzanlagen vorzugsweise ohne ein
zusätzliches
Hochdruckregelventil neben dem Volumenstromregelventil.
-
Andere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine,
-
2A und 2B Druckabbaukurven
bei verschiedenen Drücken
in dem Hochdruckbereich der Einspritzanlage und für verschiedene
Wiederholungszahlen sowie
-
3 ein
Kennfeld zur Festlegung der Wiederholungszahl für den Druckabbau in Abhängigkeit von
der Motordrehzahl und dem Druck in dem Hochdruckbereich.
-
Die
schematisierte Darstellung in 1 zeigt eine
weitgehend herkömmlich
aufgebaute Einspritzpumpe 1 (DCP – Diesel Common Rail Pump)
zur Kraftstoffversorgung eines Dieselmotors, wobei der Dieselmotor
zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.
-
Die
Einspritzpumpe 1 weist eine Niederdruckpumpe 2 auf,
die über
eine Antriebswelle 3 von einem Motor 4 angetrieben
wird und Kraftstoff über eine
Ansaugleitung 5 aus einem Kraftstofftank ansaugt, wobei
der Kraftstofftank zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.
-
Die
Niederdruckpumpe 2 speist einen Niederdruckbereich der
Einspritzpumpe 1 mit Kraftstoff, wobei der Druck in dem
Niederdruckbereich durch ein Niederdruckregelventil 6 auf
einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird.
-
In
dem Niederdruckbereich der Einspritzpumpe 1 ist weiterhin
ein Volumenstromregelventil 7 (VCV – Volumetric Control Valve)
angeordnet, das sowohl den Kraftstoffvolumenstrom als auch den Druck
einstellt, wie noch detailliert beschrieben wird.
-
Das
Volumenstromregelventil 7 verbindet die Niederdruckpumpe 2 mit
einer Hochdruckpumpe 8, die ebenfalls von der Antriebswelle 3 mechanisch
angetrieben wird und den von der Niederdruckpumpe 2 zugeführten Kraftstoff
unter Hochdruck in einen Druckspeicher 9 (Common Rail)
pumpt.
-
Aus
dem Druckspeicher 9 werden mehrere Injektoren 10–13 mit
Kraftstoff versorgt, der den zur Einspritzung in die Brennräume der
Brennkraftmaschine erforderlichen Einspritzdruck aufweist.
-
Die
Hochdruckpumpe 8 weist darüber hinaus eine Kraftstoffrückleitung 14 auf, über die
leckagebedingter Kraftstoff in den Niederdruckbereich der Einspritzpumpe 1 zurückgeführt wird.
In der Kraftstoffrückleitung 14 ist
eine Parallelschaltung eines Strömungswiderstands 15 mit
einer Reihenschaltung aus einem Rückschlagventil 16 und
einem weiteren Strömungswiderstand 17 angeordnet.
-
Darüber hinaus
weisen die Injektoren 10–13 jeweils eine verschiebbar
gelagerte Düsennadel
auf, die in Abhängigkeit
von ihrer Stellung eine Einspritzdüse freigibt oder versperrt.
Der mechanische Antrieb der Düsennadel
erfolgt hierbei jeweils durch den Kraftstoffdruck, der in einem
Steuerraum herrscht, wobei der auf die Düsennadel wirkende und diese
in den Ventilsitz drückende
Kraftstoffdruck in dem Steuerraum durch ein Steuerventil in eine
Rückleitung 18 abgelassen
werden kann, wobei die Rückleitung 18 über ein
Rückschlagventil 19 in
den Kraftstofftank der Brennkraftmaschine mündet. Bei jedem Einspritzvorgang
fließt
also ein Teil des in dem Druckspeicher 9 befindlichen Kraftstoffs über die
einzelnen Steuerventile in den Injektoren 10–13 in
die Rückleitung 18 und
von dort in den Kraftstofftank, wodurch der Kraftstoffdruck in den
Druckspeicher 9 herabgesetzt wird. Die Steuerventile der
einzelnen Injektoren 10–13 werden hierbei
durch eine elektronische Motorsteuerung 20 (engl. ECU – Electronic
Control Unit) angesteuert, wobei die Motorsteuerung 20 über einen Drucksensor 21 auch
den Druck in dem Druckspeicher 9 misst und das Volumenstromregelventil 7 so ansteuert,
dass sich in dem Druckspeicher 9 der gewünschte Einspritzdruck
einstellt, wie im Folgenden beschrieben wird.
-
Falls
die Motorsteuerung 20 über
den Drucksensor 21 feststellt, dass der Druck in dem Druckspeicher 9 zu
gering ist, so wird das Volumenstromregelventil 7 länger offen
gehalten, so dass die Hochdruckpumpe 8 mehr Kraftstoff
in den Druckspeicher 9 pumpt, wodurch der Druck in dem
Druckspeicher 9 zunimmt.
-
Falls
die Motorsteuerung 20 dagegen über den Drucksensor 21 feststellt,
dass der Druck in dem Druckspeicher 9 zu groß ist, so
steuert die Motorsteuerung 20 das Volumenstromregelventil 7 zu,
so dass die Hochdruckpumpe 8 weniger Kraftstoff in den Druckspeicher 9 pumpt,
was einer weiteren Drucksteigerung in dem Druckspeicher 9 entgegen
wirkt. Darüber
hinaus ermöglicht
die Motorsteuerung 20 durch eine geeignete Ansteu erung
der Piezoaktoren in den Injektoren 10–13 einen schnellen
Druckabbau in dem Druckspeicher 9, wie im Folgenden beschrieben
wird.
-
Für einen
schnellen Druckabbau in dem Druckspeicher 9 werden die
Piezoaktoren der einzelnen Injektoren 10–13 jeweils
für kurze
Ansteuerzeiten angesteuert, wobei die Ansteuerzeiten so kurz bemessen
sind, dass sich die Düsennadel
der einzelnen Injektoren 10–13 nicht anhebt,
so dass auch kein Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt
wird. Während
dieser kurzzeitigen Ansteuerung der Piezoaktoren der einzelnen Injektoren 10–13 öffnet sich
jedoch das zugehörige
Steuerventil, wodurch Kraftstoff aus dem Druckspeicher 9 über die
Rückleitung 18 abfließt, was
zu einem relativ schnellen Druckabbau in dem Druckspeicher 9 führt.
-
Die
Kurven in den 2A und 2B zeigen
den zeitlichen Verlauf des Druckabbaus in dem Druckspeicher 9,
wobei die Kurven in 2A von einem Anfangsdruck von
ungefähr
1600 bar ausgehen, wohingegen die Kurven in 2B von
einem Anfangsdruck von ungefähr
1000 bar ausgehen. Aus dem Vergleich der beiden Diagramme ist ersichtlich, dass
der Druckabbau in dem Druckspeicher 9 bei einem hohen Anfangsdruck
wesentlich schneller erfolgt, was auch plausibel ist.
-
Darüber hinaus
zeigen die verschiedenen Kurven den zeitlichen Verlauf des Druckabbaus
für verschiedene
Wiederholungszahlen der Ansteuerung der Piezoaktoren der einzelnen
Injektoren 10–13.
So werden die Piezoaktoren bei den Kurven 22 pro Zyklus
der Brennkraftmaschine nur einmal kurz angesteuert, was zu einem
entsprechend langsamen Druckabfall in dem Druckspeicher 9 führt.
-
Die
beiden Kurven 23 geben dagegen den zeitlichen Verlauf des
Druckabbaus in dem Druckspeicher 9 für den Fall wieder, dass die
Piezoaktoren der einzelnen Injektoren 10–13 bei
jedem Zyklus der Brennkraftmaschine zweimal kurz angesteuert (”ge toggelt”) werden.
Dementsprechend zeigen die Kurven 23 einen deutlich schnelleren
Druckabbau in dem Druckspeicher 9.
-
Die
anderen Kurven 24, 25 bzw. 26 zeigen dagegen
den wesentlich schnelleren Druckabfall für den Fall, dass in jedem Zyklus
der Brennkraftmaschine dreimal, viermal bzw. fünfmal eine Ansteuerung der
Piezoaktoren der einzelnen Injektoren 10–13 erfolgt.
-
Die
Wiederholungszahl der Ansteuerungen der Piezoaktoren der einzelnen
Injektoren 10–13 bei jedem
Zyklus wird hierbei in Abhängigkeit
von dem Druck in dem Druckspeicher 9 und in Abhängigkeit von
der Motordrehzahl n bestimmt, wie aus dem Kennfeld hervorgeht, das
in 3 dargestellt ist.
-
In
einem Betriebsbereich 27 bei einem Druck p > 1600 bar erfolgt unabhängig von
der Motordrehzahl in jedem Zyklus nur eine zweifache Ansteuerung der
Piezoaktoren der einzelnen Injektoren 10–13,
da aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks in dem Betriebsbereich 27 keine
größeren Wiederholungszahlen
erforderlich sind.
-
In
einem Betriebsbereich 28 mit einem Druck in dem Druckspeicher 9 zwischen
1500 bar und 1600 bar und einer Motordrehzahl n > 3000 min–1 erfolgt dagegen
eine dreifache Ansteuerung der einzelnen Piezoaktoren der Injektoren 10–13,
um den gewünschten
Druckabbau zu bewerkstelligen, da eine zweifache Ansteuerung dann
aufgrund des geringeren Kraftstoffdrucks nicht mehr ausreicht.
-
In
zwei anderen Betriebsbereichen 29, 30 erfolgt
dagegen sogar eine vierfache Ansteuerung der Piezoaktoren der einzelnen
Injektoren 10–13,
um den gewünschten
Druckabbau zu bewirken, da der Druckabbau in den Betriebsbereichen 29, 30 aufgrund
des verringerten Drucks bzw. der verringerten Motordrehzahl weniger
effektiv ist und demzufolge eine höhere Wiederholungszahl erforderlich
ist. In dem Betriebsbereich 29 liegt der Druck in dem Druckspeicher 9 zwischen
1500 und 1600 bar, während
die Motordrehzahl in dem Betriebsbereich 29 kleiner als 3000
min–1 ist.
-
In
dem Betriebsbereich 30 liegt die Motordrehzahl dagegen
zwischen 3000 und 4000 min–1, während der Druck in dem Druckspeicher 9 kleiner als
1500 bar ist.
-
In
einem weiteren Betriebsbereich 31 muss dagegen aufgrund
des relativ geringen Drucks und der relativ geringen Motordrehzahl
eine fünffache
Ansteuerung der einzelnen Piezoaktoren der Injektoren 10–13 erfolgen,
um den gewünschten
Druckabbau auch aufgrund der geringen Druck- und Drehzahlwerte zu
ermöglichen.
Der Betriebsbereich 31 liegt bei Drehzahlwerten von weniger
als 3000 min–1 und einem
Druck von weniger als 1500 bar.
-
Die
Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die
ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb
in den Schutzbereich fallen.