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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Steuerung eines Einspritzventils
nach dem Oberbegriff das Anspruchs 1. Ein Einspritzventil für die Zufuhr
von Kraftstoff zu einem Ottomotor ist beispielsweise aus Kraftfahrtechnisches
Taschenbuch/Bosch, 21. Aufl. 1991, Seite 439 bekannt. Ein konventionelles
Einspritzventil öffnet
selbsttätig
bei einem bestimmten Überdruck
und ermöglicht
dadurch die Einspritzung von Kraftstoff zu den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine.
Neuentwickelte Einspritzventile, die beispielsweise aus
DE 199 50 760 A1 bekannt sind,
werden durch elektromagnetische, magnetostriktive oder piezoelektrische
Aktoren gesteuert. Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung und bei
Dieselmotoren wird häufig
eine so genannte Mehrfacheinspritzung eingesetzt. Dabei wird das
Einspritzventil in kurzen Abständen
mehrfach geöffnet
und wieder vollständig
geschlossen. Bei jeder Betätigung
des Einspritzventils entstehen Anschlaggeräusche, da bewegliche Teile
des Einspritzventils, wie insbesondere eine Ventilnadel, auf einem
Ventilsitz aufschlagen. Weiterhin werden Geräusche durch Druckpulsationen
hervorgerufen, die durch das Beschleunigen und Abbremsen der Strömung entstehen.
Diese Geräusche
bedeuten einen Komfortverlust, da sie als störend empfunden werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
für die Steuerung
eines Einspritzventils ermöglicht
eine Reduzierung der Geräuschentwicklung
und fördert
daher den Komfort. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass
eine Reduzierung der Geräuschentwicklung
durch Verringerung der Anschläge
der beweglichen Ventilteile, insbesondere der Ventilnadel, auf den
Ventilsitz und durch Verringerung der Druckpulsationen infolge der
Bewegung der beweglichen Teile des Ventils möglich ist. Dieser Erfolg wird
dadurch erreicht, dass bei auf eine erste Einspritzung folgenden
weiteren Einspritzungen das Einspritzventil derart gesteuert wird,
dass die Ventilnadel nicht wieder völlig schließt und somit nicht auf dem
Ventilsitz aufschlägt.
Vielmehr wird das Einspritzventil hierbei so gesteuert, dass die
Ventilnadel in einer Schließstellung
zwischen den Einspritzungen noch über einen gewissen Resthub
verfügt
und somit zwischen den einzelnen Einspritzungen nicht auf dem Ventilsitz
selbst aufschlägt.
Auf diese Weise werden die Schließvorgänge, bei denen die Ventilnadel
mit dem Ventilsitz in Kontakt kommt und das Einspritzventil völlig geschlossen
wird, erheblich vermindert. Folglich werden auch die zur Geräuschentwicklung beitragenden
Ereignisse entsprechend reduziert. Dadurch, dass die Ventilnadel
bei den Nacheinspritzungen nicht mit dem maximalen Hub bewegt wird,
verringert sich weiterhin das Entstehen von zu Geräuschen führenden
Pulsationen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die
Verringerung der Anzahl der Schließvorgänge auch der Verschleiß an dem Einspritzventil
verringert werden kann.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt 1 ein Einspritzventil
in einem Längsschnitt
mit einem Steuergerät, 2 ein erstes Impulsdiagramm, 3 ein zweites Impulsdiagramm, 4 ein drittes Impulsdiagramm, 5 ein viertes Impulsdiagramm
und 6 einen Ausschnitt
aus einem weiteren Impulsdiagramm zur Erläuterung der Schließphase eines
Einspritzventils.
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Beschreibung
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1 zeigt ein Einspritzventil 1 in
einem Längsschnitt
mit einem schematisch dargestellten Steuergerät 100. Das Einspritzventil 1 umfasst
einen Ventilkörper 35,
der mit einem Aktor 2 verbunden ist. Bei diesem Aktor 2 handelt
es sich vorzugsweise um einen piezoelektrischen Aktor, der über das
Steuergerät 100 steuerbar
ist. Der Ventilkörper 35 umschließt eine
in seinem Inneren gleitbar gelagerte Ventilnadel 20. Die
Ventilnadel 20 trägt
an ihrer Spitze einen Ventilschließkörper 33, der mit einer
Ventilsitzfläche 34 in
dem Ventilkörper 35 einen
Formschluss bildet und in Ruhelage eine in dem Ventilkörper 35 angeordnete
Ventilöffnung 36 verschließt. Druckfedern
sorgen dafür,
dass die Ventilnadel 20 ihre Ruhelage einnimmt. In dem
Ventilkörper
ist eine weitere Bohrung 37 vorgesehen, die der Zufuhr
von Kraftstoff dient. Bei Betätigung
des Aktors 2 mittels Steuerung durch das Steuergerät 100,
hebt die Ventilnadel 20 von der Ventilsitzfläche 34 ab
und stellt somit eine fluiddurchlässige Verbindung zwischen der Bohrung 37 und
der Ventilöffnung 36 her.
Infolgedessen kann unter Druck stehender Kraftstoff durch die Ventilöffnung 36 in
einen Zylinder einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine
eingespritzt werden. Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Direkteinspritzung
hat sich eine sogenannte Mehrfacheinspritzung als vorteilhaft erwiesen.
Dabei wird zunächst
eine Einspritzung vorgenommen. Auf diese erste Einspritzung folgt
mindestens eine weitere Einspritzung. Vorzugsweise folgen jedoch
noch mehrere Einspritzungen. Dies wird anhand von 2 erläutert,
die ein erstes Impulsdiagramm zeigt. Dargestellt ist der Hub einer
Ventilnadel, beispielsweise der in 1 mit
Bezugsziffer 20 bezeichneten Ventilnadel als Funktion der
Zeit T. Zum Zeitpunkt T1 wird von dem Steuergerät 100 ein Steuersignal
für das
Einspritzventil 1 ausgegeben. Das Steuergerät 100 führt dieses
Steuersignal dem piezoelektrischen Aktor 2 zu. Der Aktor 2 beginnt
die Ventilnadel 20 zu bewegen und hebt dabei den Ventilschließkörper 33 von der
Ventilsitzfläche 34 ab.
Dabei vergeht eine gewisse Zeit, nämlich das Zeitintervall T1-T2,
bis die Ventilnadel 20 zum Zeitpunkt T2 ihren maximalen
Hub H1 erreicht hat. In dem Zeitpunkt T2 ist somit das Einspritzventil 1 vollständig geöffnet. In
diesem Zustand verharrt das Einspritzventil 1 bis zum Zeitpunkt
T3. In diesem Zeitpunkt T3 beendet das Steuergerät 100 die Aktivierung
des Aktors 2 mit der Folge, dass die Ventilnadel 20 mit
ihrer Schließbewegung
beginnt. Die Schließbewegung
ist zum Zeitpunkt T4 beendet. In diesem Zeitpunkt T4 schlägt der Ventilschließkörper 33 auf
der Ventilsitzfläche 34 auf
und verschließt die
Ventilöffnung 36 wieder.
In diesem Zeitintervall T1-T4 wird die erste Einspritzung durchgeführt. Die Ventilöffnung 36 bleibt
bis zu dem Zeitpunkt T5 geschlossen. Zum Zeitpunkt T5 aktiviert
das Steuergerät 100 wiederum
den Aktor 2 und die Ventilnadel 20 setzt sich
erneut in Öffnungsrichtung
in Bewegung. Das von dem Steuergerät 100 an den Aktor 2 gelegte Steuersignal
ist jetzt so bemessen, dass die Ventilnadel 20 zu dem Zeitpunkt
T6 eine Hubstellung mit dem Hub H2 erreicht. Der Hub H2 ist dabei
kleiner als der maximal mögliche
Hub H1. Die Ventilnadel 20 verbleibt bis zum Zeitpunkt
T7 in einer Hubstellung mit dem geringeren Hub H2. In dem Zeitpunkt
T7 beendet das Steuergerät 100 die
Ansteuerung des Aktors 2 und die Ventilnadel 20 beginnt
ihre Schließbewegung,
die zum Zeitpunkt T8 endet. In dem Zeitpunkt T8 schlägt der Ventilschließkörper 33 wiederum
auf der Ventilsitzfläche 34 auf
und schließt
die Ventilöffnung 36.
In dein Zeitintervall T5-T8 findet somit eine weitere Einspritzung
statt. Der zuvor beschriebene Ablauf wiederholt sich, um eine weitere
Einspritzung in dem Zeitintervall T9-T12 zu erreichen. In dem Zeitintervall
T1-T12 findet somit ein Einspritzvorgang statt, der eine erste Einspritzung
und zwei weitere Einspritzungen umfasst. Allein in diesem einzigen Einspritzvorgang
finden drei Schließvorgänge statt. Das
heißt,
der Ventilschließkörper 33 des
Einspritzventils 1 schlägt
insgesamt dreimal auf seinem Sitz auf der Ventilsitzfläche 34 auf,
nachdem er zuvor dreimal von diesem Sitz abgehoben worden ist. Insbesondere
das häufige
Aufschlagen des Ventilschließkörpers 33 auf
der Ventilsitzfläche 34 führt zu der
Erzeugung von Geräuschen,
die störend
wirken und daher den Komfort beeinträchtigen. Zusätzliche Geräusche entstehen
durch Pulsationen infolge von Beschleunigung und Abbremsen der Fluidströme in Abhängigkeit
von dem Öffnungs- und Schließzustand
des Einspritzventils 1.
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Die
Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass eine nachhaltige
Geräuschminderung
dadurch zu erreichen ist, dass der Ventilschließkörper 33 so selten
wie möglich
mit der Ventilsitzfläche 34 in Kontakt
kommt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,
dass die Ventilnadel 20 wenigstens bei den während der
mindestens einen weiteren Einspritzung stattfindenden Schließvorgängen nicht
völlig
in ihre Schließposition
gelangt, sondern in einer Endlage mit einem Hub H3 verharrt, bei
der der Ventilschließkörper 33 gerade
noch nicht auf der Ventilsitzfläche 34 aufschlägt. Dies
wird im Folgenden anhand von 3 erläutert, die
ein zweites Impulsdiagramm zeigt. Wie schon in 2, ist in 3 wiederum
der Hub H einer Ventilnadel 20 als Funktion der Zeit T dargestellt.
Zum Zeitpunkt T1 wird wiederum ein Steuersignal für das Einspritzventil 1 ausgegeben. Das
Steuergerät 100 führt dieses
Steuersignal dem piezoelektrischen Aktor 2 zu. Der Aktor 2 beginnt
die Ventilnadel 20 zu bewegen und hebt dabei den Ventilschließkörper 33 von
der Ventilsitzfläche 34 ab.
Dabei vergeht eine gewisse Zeit, nämlich das Zeitintervall T1-T2,
bis die Ventilnadel 20 zum Zeitpunkt T2 ihren maximalen
Hub H1 erreicht hat. In dein Zeitpunkt T2 ist somit das Einspritzventil 1 vollständig geöffnet. In
diesem Zustand verharrt das Einspritzventil 1 bis zum Zeitpunkt
T3. In diesem Zeitpunkt T3 beendet das Steuergerät 100 die Aktivierung
des Aktors 2 mit der Folge, dass die Ventilnadel 20 mit
ihrer Schließbewegung
beginnt. Die Schließbewegung
ist zum Zeitpunkt T4 beendet. Im Unterschied zu der bekannten Lösung, die
in 2 dargestellt ist,
endet jetzt jedoch die Schließbewegung
der Ventilnadel 20 in dem Zeitpunkt T4 in einer Position,
die noch einen endlichen Hub mit dem Wert H3 aufweist, die also
um den Hubwert DH von der Ruhelage bei dem Hubwert H = 0 entfernt
ist. Das heißt
also, dass die Ventilnadel 20 nicht völlig geschlossen ist und somit
bei dieser Schließbewegung
der Ventilschließkörper 33 nicht auf
die Ventilsitzfläche 34 aufgeprallt
ist. In dieser Hublage verharrt die Ventilnadel 20 bis
zu dem Zeitpunkt T5. In dem Zeitpunkt T5 beginnt wiederum, gesteuert
durch ein Steuersignal des Steuergeräts 100, das dem Aktor 2 zugeführt wird,
eine Öffnungsbewegung
der Ventilnadel 20, um eine weitere Einspritzung einzuleiten.
Die Hublage H2 ist wiederum in dem Zeitpunkt T6 erreicht. In dieser
Hublage mit dem Hub H2 verharrt die Ventilnadel 20 bis
zum Zeitpunkt T7. In diesem Zeitpunkt T7 wird dann wieder, durch ein
entsprechendes Steuersignal des Steuergeräts 100, eine Schließbewegung
der Ventilnadel 20 eingeleitet. Diese Schließbewegung
ist in dem Zeitpunkt T8 beendet. Zu diesem Zeitpunkt T8 erreicht
die Ventilnadel 20 wiederum die Hublage mit dem Hub H3. Wiederum
trifft also der Ventilschließkörper 33 nicht auf
die Ventilsitzfläche 34 auf,
so dass ein entsprechendes Geräusch
vermieden wird. In dem Zeitintervall T5-T8 wird also eine zweite
Einspritzung durchgeführt.
In dem Zeitintervall T8 bis T9 verharrt die Ventilnadel Nadel 20 wiederum
in einer Hublage mit dem Hub H3. In dem Zeitpunkt T9 wird, ausgelöst durch
ein entsprechendes Steuersignal des Steuergeräts 100, wiederum eine Öffnungsbewegung
der Ventilnadel 20 eingeleitet. Diese Öffnungsbewegung führt die
Ventilnadel 20 in eine Hublage mit dem Hub H2, die zum
Zeitpunkt T10 erreicht ist. In dieser Hublage verharrt die Ventilnadel 20 wiederum
bis zum Zeitpunkt T11. In dem Zeitpunkt T11 wird erneut ein Schließvorgang
der Ventilnadel 20 eingeleitet, der zu dem Zeitpunkt T12
die Hubstellung H3 erreicht. In dem Zeitintervall T9-T12 wird also
eine dritte Einspritzung durchgeführt. Da der Einspritzungsvorgang jetzt
insgesamt beendet werden soll, wird in einem abschließenden Schritt
die Ventilnadel 20 in eine Position verfahren, bei der
der Ventilschließkörper 33 wiederum
auf der Ventilsitzfläche 34 aufsetzt.
Dieser Zustand ist zum Zeitpunkt T13 erreicht. Wie aus dem vorbeschriebenen
Ablauf ersichtlich ist, tritt der Ventilschließkörper 33 während des
gesamten Einspritzungsvorgangs in dem Intervall T1 bis T13 insgesamt nur
noch einmal mit der Ventilsitzfläche 34 in
Kontakt und zwar bei Erreichen der Endlage mit dem Hub H = 0 zum
Zeitpunkt T13. Dies zeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung eine
wesentliche Verminderung störender
Geräusche
erzielbar ist. Zu einer Verminderung der Geräuschentwicklung trägt auch
die Tatsache bei, dass bei dem zuvor beschriebenen Steuerverfahren
für das
Einspritzventil auch Druckpulsationen vermindert werden, die zu
einer Geräuschentwicklung
Anlass geben könnten.
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Eine
weitere Ausführungsvariante
der Erfindung wird anhand von 4 erläutert. 4 zeigt ein drittes Impulsdiagramm
mit Darstellung des Hubs H als Funktion der Zeit T. Eine erste Einspritzung
wird durch eine zu dem Zeitpunkt T1 beginnende Bewegung der Ventilnadel 20 eingeleitet,
die durch ein entsprechendes Steuersignal des Steuergeräts 100 ausgelöst wird,
das dem Aktor 2 zugeführt
wird. Zu dem Zeitpunkt T2 erreicht die Ventilnadel 20 die
Hublage mit dem Hubwert H1 und verharrt dort bis zum Erreichen des
Zeitpunkts T3. In dem Zeitpunkt T3 beginnt eine Schließbewegung
der Ventilnadel 20, die die Ventilnadel zu dem Zeitpunkt
T4 in eine Hublage mit dem Wert H3 führt. In dem Zeitpunkt H3 ist
die erste Einspritzung beendet. Im Wesentlichen ohne weitere Zeitverzögerung schließt sich
jetzt an die erste Einspritzung ein weitere Einspritzung an, die
durch ein pulsierendes Ansteuern des Einspritzventils 1 realisiert
wird. Dieses pulsierende Ansteuern des Einspritzventils 1 wird
durch ein entsprechendes Steuersignal des Steuergeräts 100 an
den Aktor 2 hervorgerufen. Wie die Darstellung in 4 zeigt, hat dies eine periodische
Verlagerung der Ventilnadel 20 zwischen zwei Hublagen mit
den Werten H2 und H3 zur Folge. Das heißt, in dem Zeitintervall T4
bis T11 nimmt die Ventilnadel 20 zwischen den Hubwerten H2
und H3 liegende Hublagen an, ohne je die Extremlagen bei den Werten
H1 oder H = 0 zu erreichen. Erst in dem Zeitpunkt T11 wird eine
Schließbewegung
eingeleitet, die die Ventilnadel wieder in die Ruhelage zurückführt, bei
der der Ventilschließkörper 33 auf
der Ventilsitzfläche 34 aufliegt.
Diese Position ist zu dem Zeitpunkt T12. erreicht. Auch bei dieser Variante
der Erfindung wird ein zu häufiger
Kontakt zwischen dem Ventilschließkörper 33 und der Ventilsitzfläche 34 vermieden
und auf diese Weise eine Geräuschminderung
erreicht.
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Eine
weitere Ausführungsvariante
der Erfindung wird jetzt unter Bezug auf 5 beschrieben, in der ein viertes Impulsdiagramm
dargestellt ist, das den Hub H als Funktion der Zeit T zeigt. Nach
einer ersten Einspritzung, die mit dem Zeitpunkt T1 eingeleitet
wird und die zu dem Zeitpunkt T3 endet, wobei die Ventilnadel 20 zu
dem Zeitpunkt T2 eine höchste Hublage
zwischen den Werten H1 und H2 erreicht, schließt sich eine weitere pulsierende
Einspritzung in dem Zeitintervall T3 bis T9 an. In dem Zeitpunkt
T9 beginnt ein Vollhub, der die Ventilnadel 20 an die maximale
Hublage H1 führt,
in der sie bis zu dem Zeitpunkt T11 verharrt. In dem Zeitpunkt T11
wird dann der Schließvorgang
eingeleitet, der in dem Zeitpunkt T12 endet. Der in dem Zeitpunkt
T9 eingeleitete Vollhub der Ventilnadel 20 hat einen erhöhten Reinigungseffekt.
Er kann nämlich
bewirken, dass eventuell eingeklemmte Schmutzteilchen leichter herausgespült werden
können.
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Unter
Bezug auf 6 wird eine
weitere Ausführungsvariante
der Erfindung erläutert,
die ebenfalls noch zu einer Geräuschminderung
führt. 6 zeigt einen Ausschnitt
aus einem weiteren Impulsdiagramm zur Erläuterung der Schließphase eines
Einspritzventils 20. Es werde angenommen, dass in dem Zeitpunkt
T11 ein Schließvorgang
eingeleitet worden ist, in dem die Ventilnadel die Hublage H1 eingenommen
hatte. Zunächst
verläuft
der Schließvorgang
mit einem steilen Gradienten, bis zu dem Zeitpunkt T12 die Hublage
H3 erreicht ist, bei der die Ventilnadel 20 noch nicht
völlig
geschlossen hat. Anschließend
verläuft
der Schließvorgang
verlangsamt ab, bis die Ventilnadel 20 in dem Zeitpunkt T13
ihre Endlage erreicht hat. Durch dieses verlangsamte Schließen setzt
der Ventilschließkörper 33 sanfter
auf der Ventilsitzfläche 34 auf
und erzeugt daher weniger störende
Geräusche.
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Besonders
vorteilhaft sind die vorstehend beschriebenen Verfahren bei einem
Ottomotor mit Direkteinspritzung des Kraftstoffs oder auch bei einem
Dieselmotor anwendbar, da sie dort zu einer beträchtlichen Komfortsteigerung
durch Geräuschminderung
beitragen können.
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Besonders
zweckmäßig durchführbar sind die
Verfahren mit von Piezoaktoren gesteuerten Einspritzventilen.
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- 1
- Einspritzventil
- 2
- Aktor
- 8
- Druckfeder
- 20
- Ventilnadel
- 33
- Ventilschließkörper
- 34
- Ventilsitzfläche
- 35
- Ventilkörper
- 36
- Ventilöffnung
- 37
- Bohrung
- 100
- Steuergerät
- H
- Hub
- H1
- Hub
- H2
- Hub
- H3
- Hub
- T
- Zeit
- T1
- Zeitpunkt
- T2
- Zeitpunkt
- T3
- Zeitpunkt
- T4
- Zeitpunkt
- T5
- Zeitpunkt
- T6
- Zeitpunkt
- T7
- Zeitpunkt
- T8
- Zeitpunkt
- T9
- Zeitpunkt
- T10
- Zeitpunkt
- T11
- Zeitpunkt
- T12
- Zeitpunkt
- T13
- Zeitpunkt