DE102006004594A1

DE102006004594A1 - Verfahren und Einspritzsystem zur Erzielung einer vorgesehenen Kraftstoff-Einspritzmenge

Info

Publication number: DE102006004594A1
Application number: DE102006004594A
Authority: DE
Inventors: Christoph Klesse; Andreas Procksch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: DE102006004594B4

Abstract

Selbst im einspritzsynchronen Betrieb eines Common-Rail-Systems können aufgrund von Pumpenpulsationen für Einspritzungen in einen Zylinder unterschiedliche Drücke in dem Rail auftreten. Um trotzdem eine vorgesehene Einspritzmenge Kraftstoff zu erzielen wird vorgeschlagen, zur zumindest teilweisen Verhinderung von unterschiedlichen Druckbedingungen für Einspritzungen (I1, I2, I3, I4) in unterschiedlichen Betriebspunkten die Position des Pumpenkolbens (59) gegenüber der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (57) zu verändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung einer vorgesehenen Einspritzmenge von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Einspritzsystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7.
Um in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Hubkolben-Verbrennungsmotor, möglichst gute Abgaswerte zu erreichen, müssen je nach Last an dem Verbrennungsmotor optimale Parameter für die Einspritzung des Kraftstoffes eingestellt werden. Insbesondere ist es auch wichtig, die zur optimalen Verbrennung notwendige Kraftstoffmenge einer Einspritzung genau zu erzielen.
Bei einem Common-Rail-System wird der Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe in einem Rail, welches typischerweise als Rohrleitungssystem ausgebildet ist, unter Druck gesetzt komprimiert. Über Injektoren wird der Kraftstoff in die Zylinder eines Verbrennungsmotors eingespritzt. Common-Rail-Systeme werden meist für Dieselmotoren verwendet.
Der Begriff „Einspritzsystem" umfasst insbesondere ein Common-Rail-System. Der Begriff „Druckspeicher" umfasst insbesondere ein Rail eines Common-Rail-Systems.
Aufgrund des Pumpvorganges der Hochdruckpumpe treten im Rail Schwankungen des Druckes auf. Der Begriff „Pumpenpulsationen" wird synonym „für Schwankungen des Druckes im Rail aufgrund des Pumpvorganges der Hochdruckpumpe" verwendet. Für die normalerweise verwendeten Hochdruckkolbenpumpen beispielsweise, rühren die Pumpenpulsationen von den Bewegungen der Kolben her und führen bei konstanter Drehzahl der Hochdruckpumpe zu regelmässig wiederkehrenden Schwankungen des Druckes in dem Rail.
Die Schwankungen des Druckes im Rail haben für die Einspritzungen Schwankungen der Einspritzmenge und somit verschlechterte Abgaswerte zur Folge.
Im einspritzsynchronen Betrieb wird die Hochdruckpumpe durch den Verbrennungsmotor in einem Antriebsverhältnis angetrieben, welches unter der Voraussetzung konstanter Betriebsparameter keine durch Pumpenpulsationen verursachte Schwankungen der Druckbedingungen im Rail von Einspritzung zu Einspritzung zur Folge hat. Insbesondere führt der einspritzssynchrone Betrieb unter der Voraussetzung konstanter Betriebsparameter zu keinen Schwankungen für Einspritzungen unterschiedlicher Zylinder (vgl. 4). Beispielsweise ist für eine Kolben-Hochdruckpumpe mit einer Anzahl z_p Kolben, welche von einem 4-Takt-Verbrennungsmotor mit einer Anzahl z_m Zylindern angetrieben wird, ein einspritzsynchroner Betrieb gegeben, wenn das Antriebsverhältnis v der Pumpendrehzahl n_p zu Motorendrehzahl n_m
beträgt, wobei k eine natürliche Zahl ist (k = 1, 2, 3, ...).
Um Energie zu sparen und den Kraftstoff nicht unnötig aufzuheizen, wird eine Hochdruckpumpe normalerweise bedarfsgeregelt und sauggedrosselt betrieben. Dazu wird die Kraftstoffzufuhr zu der Hochdruckpumpe, je nach Kraftstoffbedarf des Verbrennungsmotors (z.B. mittels einer Drossel) begrenzt. Der Fördergrad gibt an, zu welchem Prozentsatz die Hochdruckpumpe mit Kraftstoff gefüllt wird. Unter dem sauggedrosselten Betrieb versteht man einen Betrieb, während welchem der Fördergrad begrenzt wird, beispielsweise zur Anpassung an einen veränderten Betriebspunkt des Verbrennungsmotors.
Die Problematik der Schwankungen von Einspritzmengen kann mittels Kolben-Hochdruckpumpen, welche eine hohe Anzahl zeitlich versetzt arbeitender Kolben aufweisen angegangen werden. Dadurch gleichen sich die von unterschiedlichen Kolben stammenden Pumpenpulsationen teilweise aus. Solche Pumpen sind jedoch aufwändig in der Herstellung und weisen ein höheres Gewicht auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine vorgesehene Einspritzmenge von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren, sowie durch das in Anspruch 7 angegebene Einspritzsystem gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorrichtung (Einspritzsystem) zur Erzielung einer vorgesehenen Einspritzmenge von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor. Dabei umfasst der Verbrennungsmotor eine Kurbelwelle. Eine Hochdruckpumpe, welche einspritzsynchron zum Verbrennungsmotor angetrieben wird, komprimiert mittels mindestens eines Pumpenkolbens in einem Druckspeicher Kraftstoff. Mindestens ein an den Druckspeicher angeschlossener Injektor führt Einspritzungen in mindestens einen Zylinder des Verbrennungsmotors aus.

Die Hochdruckpumpe kann dabei einspritzsynchron angetrieben werden. Zur Verringerung von unterschiedlichen Druckbedingungen für Einspritzungen in unterschiedlichen Betriebspunkten wird die Position (Phase) des Pumpenkolbens gegenüber der Kurbelwelle verändert.

Unter der Voraussetzung konstanter Betriebsparameter, wie beispielsweise einem konstanten Fördergrad oder einem konstanten Einspritzbeginn, haben Pumpenpulsationen von Einspritzung zu Einspritzung keinen wesentlichen Einfluss auf die Druckbedingungen im Rail. Mit einer Änderung des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors werden jedoch der Einspritzbeginn und/oder der Fördergrad der Hochdruckpumpe angepasst. Dadurch verändern sich für die Einspritzungen die Druckbedingungen, da der Einspritzbeginn gegenüber der Phase der Pumpenpulsation verschoben wird und/oder da der zeitliche Verlauf der Pumpenpulsation verändert wird. Indem die Position des Pumpenkolbens gegenüber der Kurbelwelle verändert wird, kann eine vorgesehene Einspritzmenge von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor trotzdem präzise erzielt werden. Unterschiedliche Druckbedingungen aufgrund von Pumpenpulsationen können vermieden werden.

Wird beispielsweise die Hochdruckpumpe bedarfsgeregelt betrieben, oder werden Einspritzzeitpunkte variiert, so kann eine daraus resultierende Veränderung der Pumpenpulsationen durch eine zeitliche Verschiebung der Pumpenpulsation gegenüber den Einspritzungen kompensiert werden.

Dank des erfindungsgemässen Verfahrens können für Einspritzungen die vorgesehenen Einspritzmengen genauer getroffen werden, wodurch die Abgaswerte von Verbrennungsmotoren mit einem Common-Rail-System verbessert werden.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Einspritzsystem, welches einen Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle, eine Hochdruckpumpe, einen Druckspeicher, eine Antriebsvorrichtung und eine Verstellvorrichtung umfasst. Die Hochdruckpumpe umfasst mindestens einem Pumpenkolben und dient zur Komprimierung von Kraftstoff in dem Druckspeicher. Ein an den Druckspeicher angeschlossener Injektor dient zur Durchführung von Einspritzungen in einen Zylinder des Verbrennungsmotors. Durch die Antriebsvorrichtung lässt sich die Hochdruckpumpe einspritzsynchron zu dem Verbrennungsmotor antreiben. Selbst unter der Voraussetzung des einspritzsynchronen Betriebs werden bei einer Veränderung des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors Betriebsparameter, wie z.B. der Einspritzbeginn und/oder der Fördergrad der Hochdruckpumpe angepasst. Aufgrund der Pumpenpulsationen verändern sich dadurch für die Einspritzungen auch die Druckbedingungen im Rail. Mittels der Verstellvorrichtung kann die Position des Pumpenkolbens gegenüber der Kurbelwelle verändert werden. Dadurch können Einspritzungen relativ zu den Pumpenpulsationen derart verschoben werden, dass die Einspritzungen stets bei gleichen Druckbedingungen im Rail durchgeführt werden. Dies ermöglicht es eine vorgesehene Einspritzmenge von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor zu erzielen.

Die folgenden Vorteile können sich zusätzlich ergeben:
Die Hochdruckpumpe kann mittels einer geeigneten Antriebsvorrichtung direkt durch den Verbrennungsmotor angetrieben werden. Dadurch entfällt ein separater Antrieb für die Hochdruckpumpe.

Die Position des Pumpenkolbens kann beispielsweise mittels eines elektrischen Stellmotors verändert werden. Mit einer geeigneten Verstellvorrichtung kann jedoch der Vorförderdruck der Vorförderpumpe verwendet werden, um die Position des Pumpenkolbens zu verändern. Dadurch kann der Stellmotor eingespart werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:
1A, 1B, 1C einen Vergleich von Einspritzungen während unterschiedlicher Phasen einer Pumpenpulsation;
2A, 2B, 2C, 2D Messungen von Einspritzmengen für je drei Einspritzungen;
3A Einspritzmengen in Abhängigkeit des Einspritzbeginnes
3B den zeitlichen Zusammenhang von Pumpenpulsation und Einspritzung für die in 3A dargestellten Einspritzmengen;
4 Einspritzungen und Druckbedingungen eines einspritzsynchronen 4-Zylindermotors im zeitlichen Verlauf;
5 ein Blockschaltbild eines Einspritzsystems in einer Ausführungsform.
In den 1A, 1B und 1C sind jeweils der zeitliche Verlauf eines Ansteuerungssignals 21 (gestrichelt) eines Injektors und der zeitliche Verlauf des Drucks 23 (strichpunktiert) in einem Rail abgebildet. Dabei werden durch Pumpenpulsation verursachte Schwankungen des Drucks 23 vereinfacht als Sinuskurve dargestellt. Der Raildruck 23 setzt sich aus einem konstanten nicht dargestellten Nominaldruck und diesen Druckschwankungen zusammen. Der zeitliche Druckverlauf ist in den drei Figuren gleich. Die Form des zeitlichen Verlaufs des Signals 21 in den drei Figuren ist ebenfalls gleich, jedoch erfolgt die Einspritzung in 1A in einem Drucktal, in 1B in einem Druckberg und in 1C um den Nominaldruck, d.h. der Einspritzbeginn ist in den drei Figuren verschieden.
In den 2A bis 2D sind jeweils drei Messpunkte eingezeichnet. Auf der Ordinate ist die bei der Einspritzung tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge in Milligramm [mg] aufgetragen. Die Abszisse gibt die Reihenfolge der durchgeführten Messung wieder. Die Messung 1 erfolgt in einem Druck tal, wie in 1A abgebildet ist. Die Messung 2 erfolgt in einem Druckberg (siehe 1B) und die Messung 3 erfolgt um den Nominaldruck (siehe 1C). Die Reihenfolge der Messungen ist willkürlich gewählt. Diese drei Messungen wurden bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen durchgeführt:

2A: n_p = 1000 1/min; p = 20 MPa; ti = 0,8 ms
2B: n_p = 1000 1/min; p = 20 MPa; ti = 1,6 ms
2C: n_p = 1000 1/min; p = 40 MPa; ti = 0,8 ms
2D: n_p = 1000 1/min; p = 40 MPa; ti = 1,6 ms

Dabei steht n_p für die Motordrehzahl, p für den Raildruck und ti für die Einspritzdauer.
Anhand der 2A, 2B, 2C und 2D zeigt sich, dass Pumpenpulsationen zu deutlichen Schwankungen der Einspritzmengen führen, wobei eine Einspritzung während eines Druckbergs zu einer vergleichsweise geringen Abweichung zur Normeinspritzmenge (Messung 3) führt, während eine Einspritzung während eines Drucktals zu einer vergleichsweise hohen Abweichung zur Normeinspritzmenge führt.
3A zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf von Pumpenpulsationen 22. Der zeitliche Verlauf ist in Grad Kurbelwinkel eines Verbrennungsmotors angegeben. Im Folgenden wird für die Grösse „Grad Kurbelwinkel" die Abkürzung „°KW " verwendet. Der Antrieb der Hochdruckpumpe und des Motors ist so eingestellt, dass aufgrund der Pumpenpulsationen 22 der obere Totpunkt auf einem Druckberg liegt, während ein Einspritzbeginn bei 60°KW in einem Drucktal liegt. Dargestellt ist zudem ein Ansteuersignal 21, welches eine Einspritzung während eines Druckberges bei 0°KW bewirkt und ein Ansteuersignal 21' welches um 60°KW während eines Drucktals eine Einspritzung bewirkt.
Die 3B zeigt gemessene Einspritzmengen (auf der Ordinate aufgetragen in Milligramm) in Abhängigkeit vom Einspritz beginn (in Grad Kurbelwinkel aufgetragen) der Einspritzung. Dabei wurden die Einspritzdauer, der Raildruck und die Motordrehzahl n_m nicht verändert. Ferner lief die Hochdruckpumpe einspritzsynchron zum Motor. Gemessen wurden von 0°Kurbelwinkel bis 60°Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt OT. Solche Verschiebungen entsprechen der Praxis für einen Dieselmotor eines Strassenfahrzeugs, da je nach Last der Einspritzbeginn variiert wird. Auch hier ist eine Abweichung der Einspritzmenge von bis zu zwei Milligramm pro Einspritzung aus 3B zu entnehmen.
4 zeigt schematisch Einspritzungen I1, I2, I3, I4 und Pumpenpulsationen 22 in dem Rail eines einspritzsynchronen Vier-Zylindermotors im zeitlichen Verlauf t. Als Hochdruckpumpe wird eine Kolbenpumpe mit zwei Kolben verwendet. Das Antriebsverhältnis zwischen der Hochdruckpumpe und dem Motor ist 1, pro Motorumdrehung MU vollführt die Hochdruckpumpe somit eine Pumpenumdrehung PU. Der zeitliche Verlauf ist für Fördergrade FG von 100% A, 50% B und 25% C dargestellt. Je nach Fördergrad FG ergibt sich ein unterschiedlicher zeitlicher Verlauf der Druckbedingungen 23 in dem Rail. Während eines Arbeitsspiels AS (=720°KW) findet in jedem der Zylinder jeweils mindestens eine Einspritzung I1, I2, I3, I4 statt. I1 steht dabei für eine Einspritzung in den ersten Zylinder, I2 für eine Einspritzung in den zweiten Zylinder, usw. Unter der Voraussetzung, dass konstante Betriebsparameter vorliegen, herrschen für alle Einspritzungen I1, I2, I3, I4 die selben Druckbedingungen 23 im Rail vor.
Während des Betriebes werden jedoch Betriebsparameter, insbesondere die Betriebsparameter Fördergrad FG und Einspritzzeitpunkt dem Betriebspunkt angepasst. Dadurch ändern sich für die Einspritzungen I1, I2, I3, I4 die Druckbedingungen 23.
5 zeigt ein Blockschaltbild eines Einspritzsystems in einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Ein Verbrennungs motor 57, welcher eine Kurbelwelle umfasst, treibt über eine Nockenwelle 53 und eine Kupplung 52 eine Hochdruckpumpe 50 für ein Common-Rail-System an. Die Hochdruckpumpe 50 komprimiert mittels eines oder mehrerer Pumpenkolben 59 Kraftstoff in einem Druckspeicher. Im einspritzsynchronen Betrieb und unter der Voraussetzung, dass weder der Einspritzzeitpunkt, noch der Fördergrad FG der Hochdruckpumpe 50 variiert wird (diese Voraussetzung ist z.B. normalerweise dann gegeben, wenn ein Fahrzeug welches durch ein Common-Rail-System angetrieben wird mit konstanter Geschwindigkeit auf konstanter Steigung fährt), liegen für alle Einspritzungen I1, I2, I3, I4 konstante Druckbedingungen in dem Druckspeicher vor.
Durch eine Variation des Fördergrades FG ändert sich jedoch normalerweise die Form der Pumpenpulsationen (vgl. 4). Damit auch bei einer Änderung des Fördergrades FG für alle Einspritzungen stets die selben Druckbedingungen in dem Druckspeicher vorherrschen, umfasst das Einspritzsystem eine Verstellvorrichtung zum Verändern der Position des Pumpenkolbens 59 gegenüber der Kurbelwelle. Die Verstellung ist lastpunktabhängig und erfolgt über die Sollwertvorgabe aus dem Motor-Steuergerät. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Verändern der Position des Pumpenkolbens durch ein Verdrehen des Pumpengehäuses gegenüber der Kurbelwelle vorgenommen. Um die Verdrehung des Pumpengehäuses vorzunehmen umfasst die Verstellvorrichtung ein Zahnrad 51 an der Hochdruckpumpe 50 und ein Zahnrad 54 an einem elektrischen Stellmotor 56. Der Stellmotor 56 wird durch ein Steuergerät 55 angesteuert. Vorzugsweise steuert das Steuergerät 55 auch die Einspritzungen I1, I2, I3, I4 in den Verbrennungsmotor 57, sowie den Fördergrad FG der Hochdruckpumpe an.
Durch die Verdrehung des Pumpengehäuses kann der Einspritzbeginn an einen Zeitpunkt verschoben werden, an welchem für die veränderte Pumpenpulsation dieselben Druckbedingungen vorherrschen wie für die ursprüngliche Pumpenpulsation.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Position des Pumpenkolbens 59 nicht durch einen elektrischen Stellmotor, sondern durch ein hydraulisches System mit Hilfe eines einstellbaren Vorförderdruckes einer Vorförderpumpe der Hochdruckpumpe verändert. Dadurch können der elektrische Stellmotor 56 und das Steuergerät 55 eingespart werden.
In einer dritten Ausführungsform wird die Einspritzvorrichtung nicht mittels einer Welle 53, sondern mittels eines Riemenantriebs angetrieben. Mittels eines Riemenantriebs kann auf besonders einfache Weise eine Verstellvorrichtung konstruiert werden, welche keiner Kupplung 52 bedarf.

Claims

Verfahren zur Erzielung einer vorgesehenen Einspritzmenge von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor (57) mittels eines Einspritzsystems, wobei – der Verbrennungsmotor (57) eine Kurbelwelle umfasst, – eine Hochdruckpumpe (50) mittels mindestens eines Pumpenkolbens (59) in einem Druckspeicher Kraftstoff komprimiert, – mindestens ein an den Druckspeicher angeschlossener Injektor Einspritzungen (I1, I2, I3, I4) in mindestens einen Zylinder des Verbrennungsmotors ausführt, – die Hochdruckpumpe (50) einspritzsynchron zum Verbrennungsmotor (57) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung von unterschiedlichen Druckbedingungen für Einspritzungen (I1, I2, I3, I4) in unterschiedlichen Betriebspunkten die Position des Pumpenkolbens (59) gegenüber der Kurbelwelle verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmoment, das über eine welle die Hochdruckpumpe (50) antreibt, insbesondere über die Kurbelwelle oder eine Nockenwelle (53), von dem Verbrennungsmotor (57) auf die Hochdruckpumpe (50) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einspritzzeitpunkte abhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors (57) variiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem bedarfsgeregelt, insbesondere sauggedrosselt, betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (50) gegenüber der Kurbelwelle mit Hilfe eines einstellbaren Vorförderdruckes einer Vorförderpumpe der Hochdruckpumpe (50) verdreht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem eine Kupplung (52) umfasst, – die in einem eingekuppelten Zustand die Hochdruckpumpe (50) und den Verbrennungsmotor (57) in einem konstanten Antriebsverhältnis miteinander verbindet und – zum Verdrehen der Hochdruckpumpe (50) von dem Verbrennungsmotor (57) ausgekuppelt wird.
Einspritzsystem zur Durchführung eines der Verfahren von Anspruch 1 bis Anspruch 6, umfassend – einen Verbrennungsmotor (57), welcher eine Kurbelwelle umfasst, – eine Hochdruckpumpe (50) mit mindestens einem Pumpenkolben (59), durch welche Hochdruckpumpe (50) Kraftstoff in einem Druckspeicher komprimierbar ist, – ein an den Druckspeicher angeschlossener Injektor zur Durchführung von Einspritzungen (I1, I2, I3, I4) in einen Zylinder des Verbrennungsmotors, – eine Antriebsvorrichtung (52, 53), welche die Hochdruckpumpe (50) einspritzsynchron zu dem Verbrennungsmotor (57) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem eine Verstellvorrichtung (51, 54, 55, 56) zum Verändern der Position des Pumpenkolbens (59) gegenüber der Kurbelwelle umfasst.
Einspritzsystem nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (52, 53) zum Antreiben der Hochdruckpumpe (50) ein durch den Verbrennungsmotor (57) erzeugte Drehmoment, auf die Hochdruckpumpe (50) übertragt, insbesondere mittels der Kurbelwelle und/oder einer Nockenwelle (53) und/oder einer sonstigen Welle.
Einspritzsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Pumpenkolbens (59) durch die Verstellvorrichtung (52, 53) mit Hilfe eines einstellbaren Vorförderdruckes einer Vorförderpumpe der Hochdruckpumpe (50) veränderbar ist.
Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem eine Kupplung (52) umfasst, die in einem eingekuppelten Zustand die Hochdruckpumpe (50) und den Verbrennungsmotor (57) in einem konstanten Antriebsverhältnis miteinander verbindet und zum Verdrehung der Hochdruckpumpe (50) zum Verbrennungsmotor (57) auskuppelbar ist.