DE102013220997B4

DE102013220997B4 - Direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Kraftstoffversorgungssystem und Verfahren zum direkten Einspritzen von Kraftstoff

Info

Publication number: DE102013220997B4
Application number: DE102013220997.5A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier; Georg Louven; Marco Marceno; Klemens Grieser
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2033-10-17
Also published as: DE102013220997A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung mindestens eines Zylinders mit Kraftstoff, bei der jedem Zylinder eine Einspritzdüse (1) zugeordnet ist, die als Bestandteil des Kraftstoffversorgungssystems via Versorgungsleitung mit einem Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten von Kraftstoff dient, zumindest verbindbar ist und die mit einer in Richtung einer Längsachse (1a) zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung (3) verschiebbaren Düsennadel (2) ausgestattet ist, die mindestens ein Düsenloch in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zum Einbringen von Kraftstoff freigibt, wobei die Öffnungszeit topen und die Schließzeit tclose der Düsennadel (2) die Öffnungsdauer ∆tduration der Einspritzdüse (1) während eines Einspritzvorganges determiniert, welche die Einspritzdauer des Einspritzvorganges darstellt und welche die in einen Zylinder eingebrachte Kraftstoffmenge mit bestimmt. Es soll eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, bei der die eingespritzte Kraftstoffmenge genauer dosiert werden kann und die Güte der Steuerung der mittels Einspritzdüse (1) eingebrachten Kraftstoffmenge höher ist. Erreicht wird dies mit einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass am Kraftstoffversorgungssystem mindestens ein Beschleunigungssensor (6) vorgesehen ist, mit dem das Öffnen einer zylinderzugehörigen Einspritzdüse (1) detektierbar ist, womit die Öffnungszeit topen dieser Einspritzdüse (1) messtechnisch erfassbar und bestimmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung mindestens eines Zylinders mit Kraftstoff, bei der jedem Zylinder eine Einspritzdüse zugeordnet ist, die als Bestandteil des Kraftstoffversorgungssystems via Versorgungsleitung mit einem Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten von Kraftstoff dient, zumindest verbindbar ist und die mit einer in Richtung einer Längsachse zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, die mindestens ein Düsenloch in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zum Einbringen von Kraftstoff freigibt, wobei die Öffnungszeit t_open und die Schließzeit t_close der Düsennadel die Öffnungsdauer ∆t_duration der Einspritzdüse während eines Einspritzvorganges determiniert, welche die Einspritzdauer des Einspritzvorganges darstellt und welche die in einen Zylinder eingebrachte Kraftstoffmenge mit bestimmt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder einer derartigen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird beispielsweise in der DE 20 2013 104 714 U1 und der DE 10 2013 221 001 A1 beschrieben.
Bei der Weiterentwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors, der mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, wobei die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Infolge der Drosselverluste hat die Quantitätsregelung insbesondere im Teillastbereich thermodynamische Nachteile.
Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des mindestens einen Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung wie beim Dieselmotor zum Einsatz kommt.
Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann.
Die Direkteinspritzung ist grundsätzlich durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, bei der das lokale Luftverhältnis im Brennraum stark variiert. Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Aufbereitung des Kraftstoffes durch Verdampfung und die Durchmischung von Luft und Kraftstoffdampf, sowie die Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung.
Direkteinspritzende Verfahren sind daher auch sehr empfindlich gegenüber Änderungen und Abweichungen bei der Gemischbildung, insbesondere in Bezug auf die eingespritzte Kraftstoffmenge.
Auch aus diesem Grund ist eine sehr präzise Dosierung, d. h. Bemessung der eingespritzten Kraftstoffmenge zwingend erforderlich. Ungewollte Abweichungen bei der eingespritzten Kraftstoffmenge können zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und erhöhten Schadstoffemissionen führen. Zudem führen Schwankungen in der Einspritzmenge bzw. eine sich ändernde Abweichung des Istwertes der eingespritzten Kraftstoffmenge vom Sollwert für die einzuspritzende Kraftstoffmenge in der Regel zu Drehungleichförmigkeiten, d. h. Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine. Auch Fehlzündungen bzw. Zündaussetzer können auftreten.
Nach dem Stand der Technik wird die je Zylinder einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom momentanen Betriebspunkt, insbesondere in Abhängigkeit vom einzustellenden Luftverhältnis λ, vorgegeben. Eine vom Kraftstoffversorgungssystem zur Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge als Sollwert vorgegebene Kraftstoffmenge wird dadurch generiert, d. h. in den Zylinder eingebracht, dass in Abhängigkeit von dem momentan im Kraftstoffversorgungssystem vorliegenden Druck der zylinderzugehörigen Einspritzdüse eine Öffnungsdauer ∆t_duration,set vorgegeben wird, wobei in der Regel unter Beibehaltung der Öffnungszeit t_open,set der Einspritzdüse die Schließzeit t_close,set der Düse geändert wird, um die Öffnungsdauer ∆t_duration,set und damit die eingespritzte Kraftstoffmenge zu variieren.
Die Öffnungsdauer ∆t_duration der Einspritzdüse während eines Einspritzvorganges, die von der Öffnungszeit t_open und der Schließzeit t_close der Düsennadel determiniert wird, wird üblicherweise und im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Einspritzdauer des Einspritzvorganges bezeichnet.
Nach der herkömmlichen Definition kennzeichnet die Öffnungszeit t_open den Beginn des Öffnens und die Schließzeit t_close die Beendigung des Schließens der Düse, d. h. den Beginn bzw. die Beendigung des Verschiebens der Düsennadel der Düse.
Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise birgt zahlreiche Fehlerquellen, die zu Ungenauigkeiten bei der Bemessung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge führen. Eine Vielzahl von Aspekten bleibt unberücksichtigt, weshalb eine präzise Dosierung des Kraftstoffes gegenwärtig nicht gewährleistet werden kann.
Ob die Düse zu der vorgegebenen Öffnungszeit t_open,set tatsächlich öffnet bzw. zu der vorgegebenen Schließzeit t_close,set tatsächlich schließt, wird nicht überprüft bzw. überwacht. D. h. eine Kontrolle, ob die tatsächliche Öffnungszeit t_open der vorgegebenen Öffnungszeit t_open,set bzw. die tatsächliche Schließzeit t_close der vorgegebenen Schließzeit t_close,set entspricht, erfolgt nach dem Stand der Technik nicht.
Abweichungen ∆t_open in der Öffnungszeit t_open bzw. Abweichungen ∆t_close in der Schließzeit t_close führen insbesondere bei kurzen Einspritzvorgängen, d. h. bei kleinen einzuspritzenden Kraftstoffmengen, zu größeren Ungenauigkeiten, nämlich zu prozentual größeren Abweichungen in der eingespritzten Kraftstoffmenge. Zukünftig kommt aber gerade den kleineren einzuspritzenden Kraftstoffmengen eine größere Bedeutung zu und zwar unter anderem auch deshalb, weil die in einen Zylinder mittels Einspritzung einzubringende Kraftstoffmenge zunehmend häufig nicht im Rahmen einer einzelnen größeren Haupteinspritzung, sondern vielmehr mittels mehrerer kürzerer Einspritzvorgänge eingebracht wird. D. h. die Einspritzdüse wird während eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine häufiger bzw. mehrmals geöffnet und geschlossen.
Ungenauigkeiten hinsichtlich der Einspritzmenge entstehen beispielsweise auch durch die Bauteilstreuung der Einspritzdüse, d. h. infolge der fertigungsbedingten Bauteiltoleranzen, aber auch durch Abnutzungen infolge der sich bewegenden Düsennadel, d. h. durch Verschleiß, und durch Verschmutzungen der Einspritzdüse sowohl innen als auch außen.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die eingespritzte Kraftstoffmenge genauer dosiert werden kann und die Güte der Steuerung der mittels Einspritzdüse eingebrachten Kraftstoffmenge höher ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder einer derartigen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung mindestens eines Zylinders mit Kraftstoff, bei der jedem Zylinder eine Einspritzdüse zugeordnet ist, die als Bestandteil des Kraftstoffversorgungssystems via Versorgungsleitung mit einem Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten von Kraftstoff dient, zumindest verbindbar ist und die mit einer in Richtung einer Längsachse zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, die mindestens ein Düsenloch in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zum Einbringen von Kraftstoff freigibt, wobei die Öffnungszeit t_open und die Schließzeit t_close der Düsennadel die Öffnungsdauer ∆t_duration der Einspritzdüse während eines Einspritzvorganges determiniert, welche die Einspritzdauer des Einspritzvorganges darstellt und welche die in einen Zylinder eingebrachte Kraftstoffmenge mit bestimmt, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass am Kraftstoffversorgungssystem mindestens ein Beschleunigungssensor vorgesehen ist, mit dem das Öffnen einer zylinderzugehörigen Einspritzdüse detektierbar ist, womit die Öffnungszeit t_open dieser Einspritzdüse messtechnisch erfassbar und bestimmbar ist.
Im Gegensatz zum Stand der Technik gestattet das Kraftstoffversorgungssystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die Öffnungszeit t_open der Einspritzdüse messtechnisch zu erfassen. Damit liegt ein Istwert für die tatsächliche Öffnungszeit t_open vor, mit dem eine Feedback-Regelung der Öffnungszeit dargestellt und durchgeführt werden kann, wobei die messtechnisch erfasste Öffnungszeit t_open als Istwert einem Sollwert für die Öffnungszeit t_open,set gegenübergestellt wird. Die Öffnungszeit lässt sich als Regelgröße eines Regelkreises wesentlich genauer einstellen und schneller anpassen. Die Güte, d. h. die Genauigkeit einer derartigen Feedback-Regelung bei der Einstellung der Öffnungszeit und damit auch bei der Bemessung des in den Zylinder einzubringenden Kraftstoffes ist deutlich höher als die einer herkömmlichen Feedforward-Steuerung nach dem Stand der Technik, bei der kein Istwert für die tatsächliche Öffnungszeit t_open ermittelt wird bzw. vorliegt und bei der – ohne jede Kontrolle – von der Einhaltung, d. h. der exakten fehlerfreien Umsetzung eines vorgegebenen Sollwertes für die Öffnungszeit ausgegangen wird.
Erfindungsgemäß wird das Öffnen der Einspritzdüse detektiert und zwar unter Verwendung eines am Kraftstoffversorgungssystem vorgesehenen Beschleunigungssensors. Die Einspritzdüse bzw. ihre Komponenten sowie die mit der Einspritzdüse verbundenen Teile des Kraftstoffversorgungssystems werden im Rahmen des Öffnens und des Schließen durch Stöße infolge des Verschiebens der Düsennadel zu Körperschallschwingungen angeregt, wobei der Stoß beim Öffnen durch den Anschlag der Düsennadel an einem Auflager und der Stoß beim Schließen durch ein Aufsetzen des freien Endes der Düsennadel im Nadelsitz generiert wird. Die durch die Stöße hervorgerufenen Körperschallschwingungen pflanzen sich in den miteinander verbundenen Bauteilen des Kraftstoffversorgungssystems fort und werden damit auch bis zu dem am Kraftstoffversorgungssystem vorgesehenen Beschleunigungssensor geleitet, der die Schwingungen detektiert und ein Signal generiert, welches als Öffnungszeit t_open bzw. Schließzeit t_close angesehen wird, d. h. die Öffnungszeit bzw. Schließzeit definiert.
Insofern kennzeichnet die Öffnungszeit t_open nach der erfindungsgemäßen Definition die Beendigung des Öffnens der Düse und die Schließzeit t_close die Beendigung des Schließens der Düse, wobei sowohl die Öffnungszeit als auch die Schließzeit die Beendigung des jeweiligen Verschiebevorgangs der Düsennadel terminiert.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, bei der die eingespritzte Kraftstoffmenge genauer dosiert werden kann und die Güte der Steuerung der mittels Einspritzdüse eingebrachten Kraftstoffmenge höher ist.
Das Kraftstoffversorgungssystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gewährleistet eine Verminderung bzw. Minimierung der Abweichung der eingespritzten Kraftstoffmenge von der einzuspritzenden Kraftstoffmenge und dadurch auch einen verbrauchsoptimierten Betrieb der Brennkraftmaschine mit geringeren Schadstoffemissionen. Ein runderer Lauf der Brennkraftmaschine mit weniger Drehungleichförmigkeiten bzw. geringeren Drehzahlschwankungen ergibt sich als weiterer Vorteil.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Bei einer Brennkraftmaschine, bei der jede Einspritzdüse via zylinderzugehöriger Versorgungsleitung mit einer allen Zylindern zugehörigen Hauptversorgungsleitung verbunden ist, wobei die Hauptversorgungsleitung mit dem Kraftstoffspeicher zumindest verbindbar ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen an der Hauptversorgungsleitung ein Beschleunigungssensor vorgesehen ist, mit dem das Öffnen jeder zylinderzugehörigen Einspritzdüse detektierbar ist, womit die Öffnungszeiten t_open aller Einspritzdüsen messtechnisch erfassbar und bestimmbar sind.
Grundsätzlich kann der Beschleunigungssensor an einer beliebigen Stelle des Kraftstoffversorgungssystems vorgesehen werden. Wird der Beschleunigungssensor aber an einer Hauptversorgungsleitung vorgesehen, welche mehrere Zylinder mit Kraftstoff versorgt, kann ein einzelner an dieser Leitung angeordneter Beschleunigungssensor ausreichen bzw. verwendet werden, um die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit gleich mehrerer Einspritzdüsen bzw. aller Einspritzdüsen zu bestimmen.
Hat die Brennkraftmaschine, die mit dem Kraftstoffversorgungssystem ausgestattet ist, eine geringe Anzahl an Zylindern, besteht die Möglichkeit, dass die Zylinder einen derart großen thermodynamischen Versatz, d. h. Zündabstand, aufweisen, dass tatsächlich mittels einem an der Hauptversorgungsleitung angeordneten Beschleunigungssensor die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit aller Einspritzdüsen bestimmen wird.
Da das Signal des Sensors aber auf Körperschallschwingungen beruht, welche durch einen Stoß infolge des Verschiebens der Düsennadel generiert werden, ist es bezüglich der Güte dieses Signals vorteilhafter, den Sensor möglichst nahe an der Quelle der Schwingungsanregung zu positionieren. Dies gilt umso mehr, falls die Anbindung der Einspritzdüse an das Leitungssystem der Kraftstoffversorgung unter Einsatz von Dichtelementen erfolgt, die eine dämpfende Wirkung auf die in das Kraftstoffversorgungssystem eingeleiteten Schwingungen haben.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind daher bei einer Brennkraftmaschine, bei der jede Einspritzdüse via zylinderzugehöriger Versorgungsleitung mit dem Kraftstoffspeicher zumindest verbindbar ist, Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen an einer zylinderzugehörigen Versorgungsleitung ein zylinderzugehöriger Beschleunigungssensor vorgesehen ist, mit dem das Öffnen der zylinderzugehörigen Einspritzdüse detektierbar ist, womit die Öffnungszeit t_open dieser Einspritzdüse messtechnisch erfassbar und bestimmbar ist.
Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform wird vorliegend ein Beschleunigungssensor an der zylinderzugehörigen Versorgungsleitung eines Zylinders vorgesehen und damit die Öffnungszeit t_open der diesem Zylinder zugeordneten Einspritzdüse messtechnisch erfasst und bestimmt. Die auf diese Weise ermittelte Öffnungszeit t_open ist die tatsächliche Öffnungszeit t_open der zylinderzugehörigen Einspritzdüse, der repräsentativer Charakter zukommt, in der Art, dass vorliegend davon ausgegangen wird, dass alle übrigen Einspritzdüsen eine vergleichbare Öffnungszeit t_open aufweisen.
Man kann aber auch an jeder zylinderzugehörigen Versorgungsleitung einen zylinderzugehörigen Beschleunigungssensor vorsehen und für jede Einspritzdüse die Öffnungszeit t_open einzeln messtechnisch erfassen und bestimmen.
Bei einer Brennkraftmaschine, bei der jede Einspritzdüse via zylinderzugehöriger Versorgungsleitung mit dem Kraftstoffspeicher zumindest verbindbar ist, sind daher auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen an jeder zylinderzugehörigen Versorgungsleitung ein zylinderzugehöriger Beschleunigungssensor vorgesehen ist, mit dem das Öffnen der zylinderzugehörigen Einspritzdüse detektierbar ist, womit die Öffnungszeiten t_open aller Einspritzdüsen messtechnisch erfassbar und bestimmbar sind.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen an einer einem Zylinder zugeordneten Einspritzdüse ein zylinderzugehöriger Beschleunigungssensor vorgesehen ist, mit dem das Öffnen der zylinderzugehörigen Einspritzdüse detektierbar ist, womit die Öffnungszeit t_open dieser Einspritzdüse messtechnisch erfassbar und bestimmbar ist.
Der an einer Einspritzdüse angeordnete Beschleunigungssensor hat wesentliche Vorteile. Zum einen wird die Montage des Kraftstoffversorgungssystems erheblich erleichtert, da die Einspritzdüse mitsamt Beschleunigungssensor gewissermaßen als vormontierte Baugruppe anzusehen ist. Eine Montage des Beschleunigungssensors an die Hauptversorgungsleitung bzw. die zylinderzugehörige Versorgungsleitung eines Zylinders oder mehrerer Zylinder entfällt. Zum anderen zeichnet sich eine Einspritzdüse gegenüber der Hauptversorgungsleitung und einer zylinderzugehörigen Versorgungsleitung durch ihre Nähe zur Quelle der Schwingungsanregung aus.
Der vorliegend einen einzelnen Einspritzdüse kommt repräsentativer Charakter zu, in der Art, dass davon ausgegangen wird, dass alle übrigen Einspritzdüsen eine vergleichbare Öffnungszeit t_open aufweisen.
Vorteilhaft ist es aber, jede Einspritzdüse mit einem zylinderzugehörigen Beschleunigungssensor auszustatten und für jede Einspritzdüse die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit einzeln zu bestimmen.
Vorteilhaft sind daher insbesondere Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen an jeder Einspritzdüse ein zylinderzugehöriger Beschleunigungssensor vorgesehen ist, mit dem das Öffnen der zylinderzugehörigen Einspritzdüse detektierbar ist, womit die Öffnungszeiten t_open aller Einspritzdüsen einzeln messtechnisch erfassbar und bestimmbar sind.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen mit einem an der Düsennadelführung angeordneten Beschleunigungssensor das Öffnen und/oder Schließen einer Einspritzdüse detektiert wird. Der Beschleunigungssensor kann dabei in einfacher Weise außen an der Düsennadelführung befestigt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Durchflussmesseinrichtung vorgesehen ist, die der messtechnischen Erfassung der eingespritzten Kraftstoffmenge dient.
Bei dieser Ausführungsform der Brennkraftmaschine wird die eingespritzte Kraftstoffmenge nicht rechnerisch und im Voraus im Rahmen einer Schätzung ermittelt, sondern messtechnisch erfasst. Damit liegt ein Istwert für die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge vor, die als Istwert einem Sollwert gegenübergestellt werden kann. Die eingespritzte Kraftstoffmenge lässt sich auf diese Weise wesentlich genauer dosieren. Die Güte der Bemessung des Kraftstoffes mittels Feedback-Regelung ist deutlich höher als die einer herkömmlichen Feedforward-Steuerung nach dem Stand der Technik, bei der kein Istwert für die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge ermittelt wird bzw. vorliegt und ausgehend von einem Sollwert für die einzuspritzende Kraftstoffmenge lediglich Betriebsparameter des Kraftstoffversorgungssystems bzw. der Einspritzdüsen, nämlich die Einspritzdauer, variiert bzw. eingestellt werden.
Man kann auch hier in jede Einspritzdüse eine zylinderzugehörige Durchflussmesseinrichtung implementieren und für jeden Zylinder die dem Zylinder zugeführte Kraftstoffmenge einzeln ermitteln.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen in jeder einem Zylinder zugeordneten Einspritzdüse eine Durchflussmesseinrichtung vorgesehen ist, die der messtechnischen Erfassung der in den jeweiligen Zylinder eingespritzten Kraftstoffmenge dient.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Durchflussmesseinrichtung auf dem kalorimetrischen Prinzip beruht.
Dabei wird eine Widerstandmessung eines beheizten Messdrahtes durchgeführt, wobei sich der Widerstand proportional zum vorbeiströmenden Kraftstoffvolumen ändert. Ein miniaturisierter kalorimetrischer Strömungssensor kann auf der Basis mikrostrukturierten Glases aufgebaut werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Einspritzdüse eine nach außen öffnende Einspritzdüse ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Einspritzdüse eine nach innen öffnende Einspritzdüse ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Einspritzdüse mindestens zwei Düsenlöcher zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes aufweist.
Eine gewisse Anzahl an Düsenlöchern gewährleistet zum einen eine möglichst weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum, bei der weite Bereiche des Brennraums von den Einspritzstrahlen erfasst werden, was insbesondere hinsichtlich der Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorteilhaft ist. Ein homogeneres Kraftstoff-Luft-Gemisch beeinflusst die Verbrennung und die Bildung von Schadstoffen in vorteilhafter Weise. Zum anderen muss berücksichtigt werden, dass die Einspritzdüse fähig sein muss, nicht nur kleinere Mengen an Kraftstoff, sondern auch größere Mengen an Kraftstoff einzuspritzen und zwar in einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne, die in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine wenige Millisekunden betragen kann. Da der Durchmesser der Düsenlöcher im Hinblick auf die Ausbildung des Einspritzstrahls nicht beliebig vergrößert werden kann, muss zur Vergrößerung des Gesamtquerschnitts aller Düsenlöcher die Anzahl der Löcher vergrößert werden.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Einspritzdüse mindestens fünf Düsenlöcher, vorzugsweise acht Düsenlöcher, aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das Kraftstoffversorgungssystems bzw. die Einspritzdüse mit einem Filter ausgestattet ist. Der Filter gewährleistet, dass keine Verunreinigungen bzw. Partikel, d. h. Festkörper, via Einspritzdüse in den Brennraum des Zylinders gelangen und dort Schäden verursachen, insbesondere den Kolben bzw. das Zylinderrohr beschädigen und auf diese Weise die Reibleistung und die Undichtigkeit des Brennraums erhöhen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Einspritzdüse eine piezoelektrisch gesteuerte Einspritzdüse ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Einspritzdüse eine elektromagnetisch gesteuerte Einspritzdüse ist, wozu eine Spule vorgesehen ist.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels dem am Kraftstoffversorgungssystem vorgesehenen Beschleunigungssensor das Öffnen einer zylinderzugehörigen Einspritzdüse detektiert wird, womit die Öffnungszeit t_open dieser Einspritzdüse messtechnisch erfasst und bestimmt wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen mit dem am Kraftstoffversorgungssystem vorgesehenen Beschleunigungssensor das Schließen einer zylinderzugehörigen Einspritzdüse detektiert wird, womit die Schließzeit t_close dieser Einspritzdüse messtechnisch erfasst und bestimmt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch als Prinzipskizze Teile einer Einspritzdüse eines Kraftstoffversorgungssystems einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.
1 zeigt schematisch als Prinzipskizze Teile einer Einspritzdüse 1 eines Kraftstoffversorgungssystems einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.
Die Einspritzdüse 1 ist Bestandteil eines Kraftstoffversorgungssystems und dient der Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff. Bei der in 1 dargestellten Einspritzdüse 1 handelt es sich um eine nach innen öffnende Mehrlocheinspritzdüse 10, die an ihrem – in der Einbauposition – freien in den Brennraum hineinragenden Ende 11 mindestens zwei Düsenlöcher zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes aufweist, um während des Einspritzvorganges den Kraftstoff in Gestalt von mindestens zwei Einspritzstrahlen in den Brennraum einzubringen (nicht dargestellt).
Die Einspritzdüse 1 verfügt über eine in Richtung der Längsachse 1a der Düse 1 zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung 3 verschiebbaren Düsennadel 2, die die mindestens zwei Düsenlöcher in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zur Einspritzung des Kraftstoffes freigibt.
Die Einspritzdüse 1 wird elektromagnetisch gesteuert. Zur Betätigung der Düsennadel 2 ist eine Spule 5 vorgesehen, die unter Verwendung eines Steckers 7 mit elektrischem Strom versorgt und angesteuert wird und mit einer an der Düsennadel 2 angeordneten Armatur 4 interagiert, d. h. zusammen wirkt und den Betätigungsmechanismus ausbildet. In der vollständig geöffneten Arbeitsposition der Düsennadel 2 liegt die Armatur 4 nahe der Spule 5, wohingegen in der Ruheposition das freie Ende der Düsennadel 2, d. h. die Düsennadelspitze, im Nadelsitz 2a lagert.
Bei der in 1 dargestellten Einspritzdüse 1 ist ein Beschleunigungssensor 6 außen an der Düsennadelführung 3 vorgesehen, mit dem das Öffnen und das Schließen der Einspritzdüse 1 detektiert werden kann.
Die Einspritzdüse 1 sowie die mit der Einspritzdüse 1 akustisch verbundene Düsennadelführung 3 werden im Rahmen des Öffnens und des Schließen durch Stöße infolge des Verschiebens der Düsennadel 2 zu Körperschallschwingungen angeregt, wobei der Stoß beim Öffnen durch den Anschlag der Düsennadel 2 bzw. der Armatur 4 an der Spule 5 und der Stoß beim Schließen durch ein Aufsetzen des freien Endes der Düsennadel 2 im Nadelsitz 2 generiert wird. Damit sind die Öffnungszeit t_open und die Schließzeit t_close der Einspritzdüse 1 messtechnisch erfassbar und können bestimmt werden.
Da das Signal des Sensors 6 auf stoßgenerierten Körperschallschwingungen beruht, ist der Sensor 6 in vorteilhafter Weise nahe an der Quelle der Schwingungsanregung, d. h. nahe der Spule 5 bzw. dem Nadelsitz 2a positioniert. Dies ist umso vorteilhafter, da die Anbindung der Einspritzdüse 1 an das Leitungssystem der Kraftstoffversorgung unter Einsatz einer Dichtung 9 erfolgt, die eine dämpfende Wirkung auf die in das übrige Kraftstoffversorgungssystem eingeleiteten Schwingungen hat. Stromaufwärts des Beschleunigungssensors 6 ist nämlich im Eintrittsbereich der Düse 1 außen eine Dichtung 9 in Gestalt eines O-Ringes 9 angeordnet. Innen befindet sich ein Filter 8.
Bezugszeichenliste

1: Einspritzdüse
1a: Längsachse der Einspritzdüse
2: Düsennadel
2a: Düsennadelsitz
3: Düsennadelführung
4: Armatur
5: Spule
6: Beschleunigungssensor
7: Stecker
8: Filter
9: O-Ring, Dichtung
10: nach innen öffnende Mehrlocheinspritzdüse
11: freies in den Brennraum hineinragendes Ende der Einspritzdüse
t_close: Schließzeit der Düsennadel bzw. der Einspritzdüse, Istwert
t_open: Öffnungszeit der Düsennadel bzw. der Einspritzdüse, Istwert
∆t_duration: Öffnungsdauer eines Einspritzvorganges der Einspritzdüse, Einspritzdauer, Istwert
∆t_duration,set: vorgegebene Öffnungsdauer, Sollwert
∆t_close: Abweichung in der Schließzeit, Abweichung des Istwerts von einem Sollwert für die Schließzeit
∆t_open: Abweichung in der Öffnungszeit, Abweichung des Istwerts von einem Sollwert für die Öffnungszeit
t_close,set: vorgegebene Schließzeit, Sollwert
t_open,set: vorgegebene Öffnungszeit, Sollwert

Claims

Direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung mindestens eines Zylinders mit Kraftstoff, bei der jedem Zylinder eine Einspritzdüse (1) zugeordnet ist, die als Bestandteil des Kraftstoffversorgungssystems via Versorgungsleitung mit einem Kraftstoffspeicher, der dem Bevorraten von Kraftstoff dient, zumindest verbindbar ist und die mit einer in Richtung einer Längsachse (1a) zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung (3) verschiebbaren Düsennadel (2) ausgestattet ist, die mindestens ein Düsenloch in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zum Einbringen von Kraftstoff freigibt, wobei die Öffnungszeit t_open und die Schließzeit t_close der Düsennadel (2) die Öffnungsdauer ∆t_duration der Einspritzdüse (1) während eines Einspritzvorganges determiniert, welche die Einspritzdauer des Einspritzvorganges darstellt und welche die in einen Zylinder eingebrachte Kraftstoffmenge mit bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass am Kraftstoffversorgungssystem mindestens ein Beschleunigungssensor (6) vorgesehen ist, mit dem das Öffnen einer zylinderzugehörigen Einspritzdüse (1) detektierbar ist, womit die Öffnungszeit t_open dieser Einspritzdüse (1) messtechnisch erfassbar und bestimmbar ist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der jede Einspritzdüse (1) via zylinderzugehöriger Versorgungsleitung mit einer allen Zylindern zugehörigen Hauptversorgungsleitung verbunden ist, wobei die Hauptversorgungsleitung mit dem Kraftstoffspeicher zumindest verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hauptversorgungsleitung ein Beschleunigungssensor (6) vorgesehen ist, mit dem das Öffnen jeder zylinderzugehörigen Einspritzdüse (1) detektierbar ist, womit die Öffnungszeiten t_open aller Einspritzdüsen (1) messtechnisch erfassbar und bestimmbar sind.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der jede Einspritzdüse (1) via zylinderzugehöriger Versorgungsleitung mit dem Kraftstoffspeicher zumindest verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einer zylinderzugehörigen Versorgungsleitung ein zylinderzugehöriger Beschleunigungssensor (6) vorgesehen ist, mit dem das Öffnen der zylinderzugehörigen Einspritzdüse (1) detektierbar ist, womit die Öffnungszeit t_open dieser Einspritzdüse (1) messtechnisch erfassbar und bestimmbar ist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der jede Einspritzdüse (1) via zylinderzugehöriger Versorgungsleitung mit dem Kraftstoffspeicher zumindest verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder zylinderzugehörigen Versorgungsleitung ein zylinderzugehöriger Beschleunigungssensor (6) vorgesehen ist, mit dem das Öffnen der zylinderzugehörigen Einspritzdüse (1) detektierbar ist, womit die Öffnungszeiten t_open aller Einspritzdüsen (1) messtechnisch erfassbar und bestimmbar sind.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer einem Zylinder zugeordneten Einspritzdüse (1) ein zylinderzugehöriger Beschleunigungssensor (6) vorgesehen ist, mit dem das Öffnen der zylinderzugehörigen Einspritzdüse (1) detektierbar ist, womit die Öffnungszeit t_open dieser Einspritzdüse (1) messtechnisch erfassbar und bestimmbar ist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Einspritzdüse (1) ein zylinderzugehöriger Beschleunigungssensor (6) vorgesehen ist, mit dem das Öffnen der zylinderzugehörigen Einspritzdüse (1) detektierbar ist, womit die Öffnungszeiten t_open aller Einspritzdüsen (1) messtechnisch erfassbar und bestimmbar sind.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Durchflussmesseinrichtung vorgesehen ist, die der messtechnischen Erfassung der eingespritzten Kraftstoffmenge dient.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder einem Zylinder zugeordneten Einspritzdüse (1) eine Durchflussmesseinrichtung vorgesehen ist, die der messtechnischen Erfassung der in den jeweiligen Zylinder eingespritzten Kraftstoffmenge dient.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Durchflussmesseinrichtung auf dem kalorimetrischen Prinzip beruht.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einspritzdüse (1) eine nach außen öffnende Einspritzdüse ist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einspritzdüse (1) eine nach innen öffnende Einspritzdüse (10) ist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einspritzdüse (1) mindestens zwei Düsenlöcher zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes aufweist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einspritzdüse (1) eine piezoelektrisch gesteuerte Einspritzdüse ist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einspritzdüse (1) eine elektromagnetisch gesteuerte Einspritzdüse (1) ist, wozu eine Spule (5) vorgesehen ist.
Verfahren zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels dem am Kraftstoffversorgungssystem vorgesehenen Beschleunigungssensor (6) das Öffnen einer zylinderzugehörigen Einspritzdüse (1) detektiert wird, womit die Öffnungszeit t_open dieser Einspritzdüse (1) messtechnisch erfasst und bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem am Kraftstoffversorgungssystem vorgesehenen Beschleunigungssensor (6) das Schließen einer zylinderzugehörigen Einspritzdüse (1) detektiert wird, womit die Schließzeit t_close dieser Einspritzdüse (1) messtechnisch erfasst und bestimmt wird.