DE19516245C2 - Verfahren zum Steuern einer mehrphasigen Einspritzung eines direkt einspritzenden Dieselmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer mehrphasigen Einspritzung eines mit einem Common-Rail-System und einer Einspritzdüse je Zylinder ausgerüstetem direkt einspritzenden Dieselmotors.

Common-Rail-Einspritzsysteme für Dieselmotoren sind beispielsweise in den Fortschrittberichten zum 15. Wiener Motorensymposium des VDI Verlags, Reihe 12/Nr. 205 (1994), Seiten 36 bis 53 beschrieben. Unter dem Begriff "Common-Rail" werden Systeme zusammengefaßt, deren Ziel einerseits ist, den Einspritzdruck von der Motorendrehzahl und der Einspritzmenge unabhängig zu machen, und andererseits den mittleren Einspritzdruck zu steigern. Ein wesentliches Merkmal der Common-Rail Systeme (CR) liegt somit in der Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung durch ein Speichervolumen, das sich aus dem Volumen einer mit den Einspritzdüsen eines Mehrzylindermotors verbundenen gemeinsamen Hochdruckleiterverteilung (Common-Rail) sowie den Zuleitungen und den in der Düse selbst zur Verfügung stehenden Volumina zusammensetzt.

Einspritzdüsen, wie sie in solchen Common-Rail Systemen verwendet werden, sind beispielsweise in der DE 44 07 050 C1 oder DE-Z: Krafthand, Heft 5, 12. März 1994, Seiten 224 bis 226, beschrieben. Eine solche Einspritzdüse enthält einen mit einem Aktuatorkolben versehenen Düsenkörper, der im geschlossenen Zustand der Einspritzdüse an einem Sitz anliegt und stromoberhalb des Sitzes einen mit der Hochdruckleitung des Common-Rail Systems verbundenen Düsenraum begrenzt, einen Arbeitsraum des Aktuatorkolbens, der über eine Zulaufdrossel mit der Hochdruckleitung verbunden ist, wobei die wirksame Fläche des Aktuatorkolbens größer ist als die in diesem Raum wirkende Fläche des Düsenkörpers, eine vom Arbeitsraum durch eine Rücklauföffnung eines Rückventils führende Rücklaufleitung und eine von einem elektrischen Signal angesteuerte Betätigungseinrichtung zur Betätigung des Ventilgliedes des Rücklaufventils. Das Rücklaufventil weist infolge seiner magnetischen Betätigung zwei definierte Stellungen auf, eine voll geschlossene und voll geöffnete Stellung. Damit die Einspritzdüse bei der Öffnung des Rücklaufventils nicht zu rasch öffnet, ist stromabwärts des Rücklaufventils eine Rücklaufdrossel vorgesehen. Durch geeignete Abstimmung der Zulaufdrossel zur Rücklaufdrossel wird die zeitliche Charakteristik der Einspritzdüse festgelegt.

Ein kleiner Querschnitt der Rücklaufdrossel bedeutet beim Öffnen des Rücklaufventils einen langsamen Druckabfall über den Arbeitskolben und damit eine gute Kleinstmengenfähigkeit der Einspritzdüse, was für eine Voreinspritzung vorteilhaft ist. Zugleich bedeutet ein kleiner Rücklaufquerschnitt jedoch einen großen minimalen Spritzabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen, da zwischen der Öffnung des Rücklaufventils und dem Druckabfall über dem Aktuatorkolben eine verhältnismäßig lange Zeitdauer vergeht. Systeme mit kleinem Rücklaufdrosselquerschnitt eignen sich somit für eine Kleinstmengenvoreinspritzung und eine weit abgesetzte Haupt- bzw. Nacheinspritzung. Ein großer Rücklaufdrosselquerschnitt zieht wegen der raschen vollen Öffnung der Einspritzdüse eine schlechtere Kleinstmengenfähigkeit nach sich, bewirkt jedoch ein schnelleres Öffnen des Düsenkörpers bzw. der Düsennadel und ermöglicht somit kürzere Spritzabstände. Ein großer Rücklaufdrosseldurchmesser eignet sich somit für eine oder mehrere Haupteinspritzungen.

Aus der DE 40 11 782 C2 ist eine unmittelbar jedem Zylinder eines Dieselmotors zugeordnete Pumpe-Düse-Einheit bekannt, bei der der Kraftstoffdruck über einen von einem Nocken betätigten Stößel und einem damit verbundenen Druckkolben in einer Druckkammer erzeugt wird, wenn ein Überströmventil geschlossen ist. Der Zustand des Überströmventils wird mittels eines Bauteils bestimmt, das eine Druckregelkammer angrenzt, die über einem Kanal mit einer Volumenänderungskammer verbunden ist, deren Volumen von einem Kolben gesteuert wird, dessen Stellung durch einen Piezoaktor bestimmt wird. Der Querschnitt der Volumenänderungskammer ist im Vergleich zu dem der Druckregelkammer groß, so dass ein kleiner Weg des Kolbens zu einem großen Weg des Bauteils wird. Bei der in ihrem Aufbau verhältnismäßig komplizierten bekannten Vorrichtung wirkt der Piezoaktuator somit über eine hydraulische Übersetzung auf das Bauteil, das wiederum das Ventilglied des Überströmventils betätigt. Die hydraulische Übersetzung, mit der der kleine Hub des Piezoaktuators ausgeglichen werden soll, ist mit Strömungsverlusten behaftet, was neben zusätzlichem Energieverbrauch das dynamische Verhalten beeinträchtigt.

Am Piezoaktuator liegt bei einer Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eine gleich hohe Spannung an, so dass der Hub einer zugehörigen Ventilnadel konstant ist. Lediglich die Betätigungsdauern sind verschieden.

Die DE 20 28 442 A beschreibt ein nicht in einem Common-Rail System enthaltenes Kraftstoffeinspritzventil. Dabei öffnet ein Vorsteuerventil bei Spannungsbeaufschlagung eines Piezoaktuators. Nach Beendigen des Spannungsimpulses schließt das Vorsteuerventil. Über eine analoge Ansteuerung bzw. Bewegung des Ventilgliedes finden sich keine Hinweise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer mehrphasigen Einspritzung eines mit einem Common-Rail System und einer Einspritzdüse je Zylinder ausgerüsteten direkt einspritzenden Dieselmotors zu schaffen, mit dem sich die an den Einspritzverlauf gestellten, vom jeweiligen Betriebszustand des Dieselmotors abhängigen Anforderungen in besonders guter Weise erfüllen lassen.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt. Mit dem Verfahren gemäß dem Anspruch 1, bei dem das Rücklaufventil analog verstellt wird, wird erreicht, dass die Haupteinspritzung im kurzen zeitlichen Abstand auf die Voreinspritzung folgen kann.

Eine weitere Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 2 erzielt. Bei diesem Verfahren, bei dem das Rücklaufventil ebenfalls analog angesteuert wird, wird erreicht, dass die Einspritzdüse außerordentlich rasch schließt, was für die Verbrennung vorteilhaft ist.

Die Unteransprüche 3 und 4 kennzeichnen weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Insgesamt wird mit der Erfindung ein Verfahren geschaffen, das sowohl eine gute Kleinstmengenfähigkeit für eine Voreinspritzung aufweist, als auch eine rasche, auf die Voreinspritzung folgende Haupteinspritzung bzw. eine getaktete Haupteinspritzung ermöglicht. Damit wird eine weiche Verbrennung mit geringen Rußwerten und geringen Stickoxidwerten und gleichzeitig guten Gesamtwirkungsgrad erzielt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 ein Gesamtschema eines Common-Rail Systems,

Fig. 2 das Hydraulikschema einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse,

Fig. 3 einen Schnitt durch den vorderen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse,

Fig. 4 Hub-, Druck- und Durchsatzverläufe einer Einspritzung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse und

Fig. 5 Hubverläufe zweier Steuerverfahren.

Gemäß Fig. 1 ist ein Kraftstofftank 2 über ein Filter und eine Vorförderpumpe 4 mit einer Common-Rail (CR)-Hochdruckpumpe 6 verbunden. Von der CR-Hochdruckpumpe führt eine Leitung zu einer Verteilerleitung (Common-Rail) 8, die über Zuleitungen 10 mit den jedem Zylinder einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine zugeordneten Einspritzdüsen 12 verbunden ist.

Die Einspritzdüsen 12 sind über Rückleitungen 14 mit einer zum Tank 2 führenden Rücklaufleitung 16 verbunden.

Der Systemdruck wird mit Hilfe eines Begrenzungsventils 18 begrenzt und kann bis 2000 bar betragen.

Ein elektronisches Steuergerät 20 ist mit seinen Ausgängen mit der Hochdruckpumpe 6 so­ wie den Einspritzdüsen 12 verbunden. Die Eingänge 22 des Steuergeräts sind mit einem Drucksensor 24 der Verteilerleitung 8 sowie weiteren nicht dargestellten Sensoren ver­ bunden, beispielsweise für die Stellung eines Fahrpedals, Fahrgeschwindigkeit, Temperatu­ ren, Ladedruck, Luftmasse, Drehzahl usw..

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Einspritzdüse mit dem zugehörigen Hydraulik­ schema.

Die Einspritzdüse 12 enthält einen Düsenkörper 26, der in einer Düsennadel endet, welche in geschlossenem Zustand der Einspritzdüse an einem Ventilsitz anliegt. Der Düsenkörper 26 durchragt einen Düsenraum 28, der mit der Zuleitung 10 verbunden ist.

Der Düsenkörper 26 ist mit einem Aktuatorkolben 30 verbunden, bzw. einteilig ausgebil­ det, welcher in einem Arbeitsraum 32 arbeitet, der über eine Zulaufdrossel 34 mit der Zuleitung 10 verbunden ist. Der Arbeitsraum 32 ist weiter über ein Rücklaufventil 36 mit der Rückleitung 14 verbunden.

Zur Betätigung des Rücklaufventils 36 ist dessen Ventilglied 38 mit einer als Piezoaktuator 40 ausgebildeten Betätigungseinrichtung verbunden, die über ihre Anschlüsse 42 an das Steuergerät 20 angeschlossen ist.

Solche Piezoaktuatoren sind an sich bekannt und sind aufgebaut wie Kondensatoren, deren Dielektrikum aus piezoelektrischem Material, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik besteht. Moderne Aktuatoren arbeiten mit Feldstärken von bis zu 2000 V/mm und errei­ chen relative Längenänderungen von bis zu 1,5‰. Im dargestellten Beispiel läßt sich mit einer Länge des Piezoaktuators 40 von etwa 100 mm somit ein definierter Hub von über 0,1 mm erzielen, was für eine analoge Veränderung des Öffnungsquerschnitts des Rücklauf­ ventils 36 in Abhängigkeit von der an den Anschlüssen 42 liegenden Spannung vollständig ausreicht.

Alternativ könnte der Piezoaktuator 40 auch ein magnetostriktiver Aktuator sein, bei dem magnetostriktives Material innerhalb einer stromdurchflossenen Spule angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein ausgeführtes Beispiel einer Einspritzdüse, wobei die Konstruktion der Düsennadel und deren Zusammenwirken mit dem Sitz an sich bekannt ist, beispielsweise wie im Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, Bosch, VDI Verlag 1991, auf Seite 509 beschrieben.

Wesentlich ist, daß die wirksame Fläche, mit der der Aktuatorkolben 30 im Arbeitsraum 32 beaufschlagt ist, größer ist als die wirksame Fläche, mit der der Düsenkörper 26 im Düsenraum 28 bzw. die Düsennadel stromoberhalb des Ventilsitzes beaufschlagt ist, so daß bei gleich großem Druck im Arbeitsraum 32 und Düsenraum 28 der Düsenkörper 26 in Schließstellung gedrängt ist.

Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist folgende:
Wenn das Rücklaufventil 36 geschlossen ist, stellt sich im Arbeitsraum 32 und Düsenraum 28 der in der Zuleitung herrschende Druck ein, der den Düsenkörper 26 in Schließstellung drängt. Wird das Ventilglied 38 durch Spannungsbeaufschlagung des Piezoaktuators 40 ge­ öffnet, entweicht der Druck aus dem Arbeitsraum 32 bei genügend weiter Öffnung des Rücklaufventils 36 schneller als Kraftstoff durch die Zulaufdrossel 34 nachströmen kann, so daß bei Nachlassen des Druckes im Arbeitsraum 32 die Düse infolge des Druckes im Düsenraum 28 öffnet. Wird das Rücklaufventil 36 geschlossen, so stellt sich der hohe Druck im Arbeitsraum 32 wieder ein, so daß die Einspritzdüse schließt.

Das gesamte Druckniveau in der Zuleitung 10 kann je nach Betriebsbedingungen vom Drucksensor 24 erfaßt und, vom Steuergerät 20 durch Ansteuerung der Hochdruckpumpe 6 gesteuert, verändert werden.

Fig. 4 zeigt Meßprotokolle eines Ansteuerverfahrens, wobei zeigen:

Kurve I den Hub hv des Ventilgliedes 38 (proportional zur Spannung an den Anschlüs­ sen 20), wobei der kleinere Hub 0,03 mm und der größere Hub 0,06 mm be­ trägt,

Kurve II den Hub hn des Düsenkörpers 26 bzw. der Düsennadel,

Kurve III den Druck pi im Düsenraum 28,

Kurve IV den Druck pa im Arbeitsraum 32,

Kurve V die Spritzrate SR, das heißt den aus der Einspritzdüse austretenden Volumen­ strom an Kraftstoff und

Kurve VI die integrierte Spritzmenge Qe.

Im dargestellten Beispiel betrug der Durchmesser der Zulaufdrossel 34 0,30 mm und der Bohrungsdurchmesser des Rücklaufventils 36 (Fig. 3) 0,7 mm.

Wie aus den Kurven I und II deutlich ersichtlich, folgt die Öffnung der Einspritzdüse bzw. die Hubbewegung des Düsenkörpers 36 dem kleinen Hub des Ventilglieds 38 des Rück­ laufventils 36 mit großer Verzögerung, so daß ein weicher Voreinspritzbeginn gewährlei­ stet ist. Das Ende der Voreinspritzung folgt unmittelbar dem Ende der Spannungsbeauf­ schlagung des Piezoaktuators 40 bzw. dem Schließen des Rücklaufventils 36. Somit ist eine ausgezeichnete Kleinstmengenfähigkeit gegeben, indem durch den kleinen Hub des Ventilglieds 38 das Rücklaufventil 36 wie eine kleine Rücklaufdrossel wirkt. Wird das Rücklaufventil 36 nun durch stärkere Spannungsbeaufschlagung des Aktuators 40 weiter geöffnet, so öffnet das Einspritzventil mit geringerer Verzögerung gegenüber der Öffnung des nunmehr als Drossel mit erheblich größerem Querschnitt wirkenden Rücklaufventils 36. Das Schließen des Einspritzventils und damit das Ende der Haupteinspritzung folgt dem Schließen des Rücklaufventils 36 jedoch nunmehr mit größerer Verzögerung, da sich im Arbeitsraum 32 erst wieder der volle Druck aufbauen muß, indem der Kraftstoff die Zulaufdrossel 34 durchströmt.

In Fig. 5 entsprechen die Kurven Ia und IIa den Kurven I und II der Fig. 4. Wie ersicht­ lich erfolgt die Haupteinspritzung hier getaktet, indem das Rücklaufventil 36 derart ange­ steuert wird, daß der Düsenkörper 26 immer, sobald er annähernd seinen vollen Hub er­ reicht hat, wieder schließt.

Die Kurven Ib, IIb und Ic, IIc zeigen einen Vergleich eines Taktes einer Haupteinsprit­ zung, bei der das Rücklaufventil 36 einmal mit konstanter Amplitude geöffnet ist (Ib) und das andere Mal die Öffnungsamplitude des Rücklaufventils 36 auf einen verminderten Wert eingestellt wird, so bald die Öffnung der Einspritzdüse begonnen hat bzw. sich der Düsenkörper 26 wesentlich von seinem Sitz abgehoben hat. Wie ersichtlich führt die Steue­ rung des Rücklaufventils 36 gemäß Ic zu einem rascheren Schließen der Einspritzdüse nach Schließen des Rücklaufventils 36, was im Hinblick auf den Brennverlauf vorteilhaft ist.

Claims (4)

1. Verfahren zum Steuern einer mehrphasigen Einspritzung eines mit einem Common- Rail System und einer Einspritzdüse je Zylinder ausgerüsteten direkteinspritzenden Dieselmotors, welche Einspritzdüse enthält:
einen mit einem Aktuatorkolben (30) versehenen Düsenkörper (26), der im ge­ schlossenem Zustand der Einspritzdüse an einem Sitz anliegt und stromoberhalb des Sitzes einen mit der Hochdruckleitung des Common-Rail Systems verbundenen Düsenraum (28) begrenzt,
einen Arbeitsraum (32) des Aktuatorkolbens (30), welcher über eine Zulaufdrossel (34) mit der Hochdruckleitung verbunden ist, wobei die wirksame Fläche des Aktuatorkolbens (30) größer ist als die im Düsenraum wirksame Fläche des Düsenkörpers,
eine vom Arbeitsraum durch eine Rücklauföffnung eines Rücklaufventils (36) führende Rücklaufleitung (14) und
eine von einem elektrischen Signal angesteuerte Betätigungseinrichtung (40), die das Ventilglied (38) des Rücklaufventils (36) unmittelbar und analog zu dem elektrischen Signal verstellt, so daß das Rücklaufventil eine im Querschnitt variable Drossel der Rücklaufleitung (14) bildet,
bei welchem Verfahren das elektrische Signal für die Betätigungseinrichtung (40) des Rücklaufventils (36) für eine Voreinspritzung mit geringer Einspritzmenge auf einem niedrigen Wert gehalten wird und nach Abschalten zum Schließen der Einspritzdüse für eine anschließende Haupteinspritzung mit größerer Einspritzmenge auf einem höheren Wert gehalten wird.

2. Verfahren zum Steuern einer mehrphasigen Einspritzung eines mit einem Common- Rail System und einer Einspritzdüse je Zylinder ausgerüsteten direkteinspritzenden Dieselmotors, welche Einspritzdüse enthält:
einen mit einem Aktuatorkolben (30) versehenen Düsenkörper (26), der im ge­ schlossenem Zustand der Einspritzdüse an einem Sitz anliegt und stromoberhalb des Sitzes einen mit der Hochdruckleitung des Common-Rail Systems verbundenen Düsenraum (28) begrenzt,
einen Arbeitsraum (32) des Aktuatorkolbens (30), welcher über eine Zulaufdrossel (34) mit der Hochdruckleitung verbunden ist, wobei die wirksame Fläche des Aktuatorkolbens (30) größer ist als die im Düsenraum wirksame Fläche des Düsenkörpers,
eine vom Arbeitsraum durch eine Rücklauföffnung eines Rücklaufventils (36) führende Rücklaufleitung (14) und
eine von einem elektrischen Signal angesteuerte Betätigungseinrichtung (40), die das Ventilglied (38) des Rücklaufventils (36) unmittelbar und analog zu dem elektrischen Signal verstellt, so daß das Rücklaufventil eine im Querschnitt variable Drossel der Rücklaufleitung (14) bildet,
bei welchem Verfahren das elektrische Signal für die Betätigungseinrichtung (40) des Rücklaufventils (36) während einer ersten Zeitdauer für eine Öffnung der Einspritzdüse auf einem hohen Wert gehalten wird, und anschließend bei offener Einspritzdüse zur Vorbereitung eines rascheren Schließens der Einspritzdüse auf einem niedrigeren Wert erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Betätigungseinrichtung eine piezoelektrisch arbeitende Einrichtung (40) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich der wirksame Öffnungsquerschnitt des Rücklaufventils (36) zumindest zu Beginn der Ventilöffnung annähernd proportional zum Hub des Ventilgliedes (38) verändert.