DE19636088A1 - Verfahren zur Steuerung der direkten Einspritzung von Kraftstoff - Google Patents

Verfahren zur Steuerung der direkten Einspritzung von Kraftstoff

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Speichereinspritzsystem mit zumindest einem Einspritzventil pro Zylinder, dessen Düsennadel über ein Steuerventil mit einem hubabhängig ansteuerbaren Aktor hydraulisch betätigt wird, wobei das Steuerventil während eines Arbeitsspieles mehrmals mit unterschiedlichem Ventilhub zur Realisierung unterschiedlicher Steuerquerschnitte betätigt wird.
Bei Speichereinspritzsystemen (Common Rail Einspritzsysteme) kommen durchwegs zwei Systemmöglichkeiten, nämlich mit 2/2-Wege- oder 3/2-Wegemagnetventilanordnung zum Einsatz, wie aus Bild 2 des Beitrages "Common Rail Einspritzsystem für Dieselmotoren - Ana­ lyse, Potential, Zukunft", K. EGGER et al., 15. Internationales Wiener Motorensympo­ sium 28. bis 29. April 1994, hervorgeht. Die Wirkungsweise ist dabei derart, daß unabhängig davon, ob ein 2/2-Wege- oder ein 3/2-Wegemagnetventil geschaltet wird, durch die Druckent­ lastung in einem Steuerraum ein hydraulischer Kolben aus seiner Schließstellung verschoben, und dadurch die Düse geöffnet wird. Während beim 2/2-Wegeventil die Druckentlastung durch eine Ablaufdrossel und eine kleinere Zulaufdrossel gesteuert wird, wird beim 3/2- Wegemagnetventil nur der Ablauf über eine Drossel gesteuert. Zur Einspritzverlaufsformung wird bei allen Speichereinspritzsystemen durchwegs eine Voreinspritzung bzw. Mehrfachein­ spritzung angewandt, wie aus den Bildern 15 und 16 der genannten Veröffentlichung hervorgeht. Diese funktioniert derart, daß das Magnetventil zweimal öffnet und schließt. Bei einer Dreifach- bzw. Vierfach-Einspritzung entsprechend drei bis viermal. Dabei kommt die Hubnadel des Magnetventiles zwischen den Teileinspritzungen immer wieder auf seinen An­ schlag zu liegen. Das Funktionsprinzip von schnellen und einfach aufgebauten Magnetventilen erlaubt es im allgemeinen nicht, unterschiedliche Hubstellungen der Magnet­ ventilnadel zu definieren und damit unterschiedliche Steuerungsquerschnitte im Magnetventil freizugeben.
Es ist bekannt, für das Steuerventil einen piezo- oder magnetostriktiven Steller (Aktor) zu verwenden, welcher hubabhängig gesteuert werden kann. Ein bekannter Common-Rail- Injektor weist eine Piezo-Ansteuerung mit einem Quarzaktor auf, mit dem unterschiedliche Nadelhübe des Steuerventiles während der Vor- und der Haupteinspritzung realisiert werden, wobei der Hub des Aktors und damit der Steuerungsquerschnitt des Steuerventiles für die Voreinspritzung beschränkt wird. Zwischen der Vor- und der Haupteinspritzung wird der Aktor allerdings stets in seine Ruhelage gebracht und damit der Steuerungsquerschnitt des Steuerventiles vollständig geschlossen, wodurch in einem Einspritzverlaufsdiagramm die Voreinspritzung stets von der Haupteinspritzung deutlich getrennt ist. Diese Art der Ansteue­ rung erlaubt somit nur eine geringe Freiheit in der Definition des Einspritzverlaufes.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden, und ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung vorzuschlagen, mit welchem mehr Freiheiten in der De­ finition des Einspritzverlaufes, insbesondere eine Einspritzverlaufsformung möglich ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Aktor des Steuerventiles so an­ gesteuert wird, daß der Steuerquerschnitt des Steuerventiles bei zeitlich hintereinanderfolgenden Ventilstellungen zwischen dem Beginn und dem Ende des Einspritz­ vorganges stets über einem von der Schließstellung unterschiedlichen Minimalwert bleibt.
Zum Unterschied zu bekannten Ansteuerverfahren für Einspritzventile von Spei­ chereinspritzsystemen mit mehreren Einspritzungen pro Arbeitsspiel bleibt das Steuerventil während des gesamten Einspritzvorganges geöffnet und wird nur entsprechend der ge­ wünschten Einspritzverlaufsform zwischen mehreren Öffnungsstellungen geschaltet. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß der Aktor so gesteuert wird, daß der Steuerquer­ schnitt des Steuerventiles zwischen zwei lokalen Maximalwerten jeweils einen lokalen Minimalwert annimmt. Der minimale Wert des Steuerquerschnittes, der einen minimalen Wert des Nadelhubes des Steuerventiles entspricht, bestimmt dabei wesentlich die Form des Einspritzverlaufes, wobei nicht nur eine Vor- oder Mehrfacheinspritzung sondern jeder belie­ bige Einspritzratenverlauf dargestellt werden kann.
Die Steuerung des Aktors wird dadurch vereinfacht, daß der Aktor so angesteuert wird, daß die lokalen Maximalwerte der Steuerquerschnitte des Steuerventiles dem maximal möglichen Steuerquerschnitt entsprechen. Es wird somit nicht der Hub des Aktors bzw. der Steuerquerschnitt des Steuerventiles für die Voreinspritzung beschränkt, sondern derjenige zwischen zwei aufeinanderfolgenden Öffnungsvorgänge.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Aktor während des Einspritzvorganges so gesteuert wird, daß
  • a) der maximale Steuerquerschnitt des Steuerventiles freigegeben wird,
  • b) nach einer ersten Haltezeit der Steuerquerschnitt auf einen Minimalwert verringert wird,
  • c) nach einer zweiten Haltezeit der Steuerquerschnitt auf seinen Maximalwert vergrößert wird,
  • d) nach einer dritten Haltezeit das Steuerventil geschlossen wird.
Zwischen einer Voreinspritzung und einer Einspritzverlaufsformung ist jede mögliche anfängliche Einspritzbeeinflussung realisierbar. Die Größe der Voreinspritzung wird dabei durch die erste Haltezeit beeinflußt. Wird nicht nur eine Vor- und Haupteinspritzung, sondern eine darüberhinausgehende Mehrfacheinspritzung angestrebt, so ist vorgesehen, daß die Ver­ fahrensschritte b) und c) mehrmals, vorzugsweise zwei bis vier mal, mit entsprechenden weiteren Haltezeiten pro Schritt wiederholt werden.
Die besten Ergebnisse können erzielt werden, wenn der Aktor so gesteuert wird, daß der Minimalwert des Steuerquerschnittes zwischen etwa 0 und 80%, vorzugsweise zwischen 20 und 50%, des maximalen Steuerquerschnittes liegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 bekannte Common-Rail-Injektoren mit piezostriktiven Aktoren, Fig. 3 und 5 Steuerdia­ gramme eines erfindungsgemäß angesteuerten Injektors, und Fig. 4 und 6 die jeweils dazugehörigen Einspritzverlaufskurven.
Fig. 1 und 2 zeigen bekannte Injektoren 1 für Speichereinspritzsysteme, bei denen die Hub-Steuerung des in der Rücklaufleitung 2 angeordneten Steuerventiles 3 durch einen pie­ zostriktiv arbeitenden Aktor 4 (Steller) gesteuert wird. In Fig. 1 ist das Steuerventil 3 als 2/2-Wegeventil 3a, in Fig. 2 als 3/2-Wegeventil 3b ausgeführt. Eine Hochdruckleitung 5 des nicht weiter dargestellten Speichereinspritzsystems führt direkt in den die Düsennadel 6 umgeben­ den Düsenraum 7 der Düse 8. Bei jeder der beiden Ausführungen wird in einer Schaltstellung des Steuerventiles 3 wird der Steuerraum 9 eines Steuerkolbens 10 druckentlastet, wodurch der Steuerkolben 10 samt Düsennadel 6 durch den Kraftstoffdruck im Düsenraum 7 aus seiner Schließlage bewegt und die Düse 8 geöffnet wird. Beim 2/2-Wegeventil 3a wird die Druck­ entlastung im Steuerraum 9 durch eine Ablaufdrossel 11 und eine Zulaufdrossel 12 gesteuert, wobei die Ablaufdrossel 11 einen etwas größeren Durchmesser aufweist als die Zulaufdrossel 12. Beim in Fig. 2 gezeigtem 3/2-Wegeventil 3b wird die Ablaufseite über eine Ablaufdrossel 11 gesteuert. Da der Aktor 4 in an sich bekannter Weise piezo- oder magnetostriktiv ausge­ führt ist, kann jede Hubstellung der nicht weiter dargestellten Ventilnadel des Steuerventiles 3 definiert werden.
Fig. 3 zeigt den einen bestimmten Steuerungsquerschnitt S des Steuerventiles 3 defi­ nierenden Ventilhub H, aufgetragen über der Zeit t, während eines gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuerten Einspritzvorganges. In dem in Fig. 4 dargestellten Diagramm ist die dazugehörige Einspritzmenge Q über der Zeit t aufgetragen. Gemäß der erfindungsgemäßen Steuerung öffnet der Aktor 3 stets auf den maximalen Hub Hv bzw. den maximalen Steue­ rungsquerschnitt Sv des 2/2- oder 3/2-Wegeventils 3a, 3b in Richtung Rücklauf. Nach einer bestimmten Haltezeit t₁ schließt der Aktor 4 auf einen Wert B, welcher eine zweite Haltezeit t₂ lang gehalten wir. Danach wird der Hub H des Steuerventiles 3 wieder auf den vollen Wert Hv beziehungsweise den vollen Steuerungsquerschnitt Sv geöffnet. Nach einer dritten Haltezeit t₃ wird die Rücklaufleitung 2 vollständig geschlossen und der Einspritzvorgang beendet.
Die Kurven a, b, c, d, e, f und g zeigen Kennlinien für verschiedene minimale Hubhö­ hen B des Steuerventiles 3. In Fig. 4 sind die dazugehörigen Einspritzmengen Q zu entnehmen. Wie daraus ersichtlich ist, kann der Einspritzmengenverlauf beliebig zwischen einer konventionellen Vor- und Haupteinspritzung, Linien a, b, und einer ausgeprägten Ein­ spritzverlaufsformung, Linien f und g beliebig variiert werden.
Fig. 5 und 6 zeigen analoge Diagramme, bei denen der Einfluß der Haltezeit t₁ auf die Einspritzmenge der bei der Voreinspritzung hervorgeht. Die Kurven h, i, j, k, l, m und n zei­ gen Ventilhübe H bzw. Einspritzmengen Q bei verschieden langen ersten Haltezeiten t₁.
In den Fig. 3 bis 6 ist jeweils eine konstante zweite Haltezeit t₂ und eine konstante dritte Haltezeit t₃ angenommen. Durch Variation der zweiten Haltezeit t₂ kann weiter der Spritzabstand zwischen Vor- und Haupteinspritzung variiert werden. Die dritte Haltezeit t₃ definiert die Einspritzmenge Q während der Haupteinspritzung. Der minimale Ventilhub B liegt vorteilhafter Weise in einem Bereich zwischen 0 und 80% des maximalen Hubes des Steuerventiles 3 und bestimmt den Übergang von der Voreinspritzung zur eingesattelten Ein­ spritzung bzw. zur anfänglichen Einspritzratenverringerung.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch mit konventionellen Mehrfacheinspritzungen kombinierbar. So ist es beispielsweise möglich, daß vor einem erfin­ dungsgemäß geformten Einspritzverlauf eine zeitlich getrennte Voreinspritzung durch ein kurzes Öffnen und Schließen des Steuerventiles durchgeführt wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung der direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Speichereinspritzsystem mit zumindest einem Einspritz­ ventil (1) pro Zylinder, dessen Düsennadel (6) über ein Steuerventil (3) mit einem hubabhängig ansteuerbaren Aktor (4) hydraulisch betätigt wird, wobei das Steuerventil (3) während eines Arbeitsspieles mehrmals mit unterschiedlichem Ventilhub (H) zur Realisierung unterschiedlicher Steuerquerschnitte (S) betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (4) des Steuerventiles so angesteuert wird, daß der Steuerquerschnitt (S) des Steuerven­ tiles (3) bei zeitlich hintereinanderfolgenden Ventilstellungen zwischen dem Beginn und dem Ende des Einspritzvorganges stets über einem von der Schließstellung unterschiedlichem Mi­ nimalwert (B) bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (4) so gesteuert wird, daß der Steuerquerschnitt (S) des Steuerventiles (3) zwischen zwei lokalen Maximal­ werten jeweils einen lokalen Minimalwert (B) annimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (4) so angesteu­ ert wird, daß die lokalen Maximalwerte der Steuerquerschnitte (S) des Steuerventiles (3) dem maximal möglichen Steuerquerschnitt (Sv) entsprechen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (4) während des Einspritzvorganges so gesteuert wird, daß
  • a) der maximale Steuerquerschnitt (Sv) des Steuerventiles (3) freigegeben wird,
  • b) nach einer ersten Haltezeit (t₁) der Steuerquerschnitt (S) auf einen Minimalwert (B) verrin­ gert wird,
  • c) nach einer zweiten Haltezeit (t₂) der Steuerquerschnitt (S) auf seinen Maximalwert (Sv) vergrößert wird,
  • d) nach einer dritten Haltezeit (t₃) das Steuerventil (3) geschlossen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte b) und c) mehrmals, vorzugsweise zwei bis vier mal mit weiteren ersten und zweiten Haltezeiten (t1n, t2n) pro Schritt wiederholt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (4) so gesteuert wird, daß der Minimalwert (B) des Steuerquerschnittes (S) zwischen 0 und 80%, vorzugsweise zwischen 20 und 50%, des maximalen Steuerquerschnittes (Sv) liegt.
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