DE19642441A1 - Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Aus der EP 0 218 895 ist ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem ein kolbenförmiges Ventilglied in einer Bohrung eines Ventilkörpers axial geführt ist, die in den Brennraum der Brennkraftmaschine mündet. Das Ventilglied weist dabei an seinem brennraumseitigen Ende einen aus der Bohrung des Ventilkörpers ragenden Schließkopf auf, dessen dem Ventilkörper zugewandte Stirnfläche eine Ventildicht­ fläche bildet. Diese Ventildichtfläche am Ventilglied wirkt dabei zur Steuerung eines Einspritzquerschnittes mit einer ortsfesten Ventilsitzfläche zusammen, die an der brennraum­ seitigen Stirnfläche des Ventilkörpers gebildet ist und die die Mündung der Bohrung umgibt. Dabei mündet zudem ein zwischen der Bohrung und dem Ventilglied gebildeter Kraft­ stoffdruckkanal an den Ventilsitz, der an eine Einspritz­ leitung angeschlossen ist. Das Ventilglied wird bei geschlossenem Einspritzventil von einer Ventilfeder in Anlage am Ventilsitz gehalten und zur Ausführung des nach außen gerichteten Öffnungshubes direkt von einem Piezoaktor beaufschlagt. Dabei erfolgt die Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes durch das Bestromen des Piezoaktors, der sich mittels eines Hydraulikpolsters ortsfest am Gehäuse abstützend axial in Richtung Ventilglied ausdehnt und dabei das Ventilglied mit seiner Ventildichtfläche vom Ventilsitz abhebt, so daß der Kraftstoff über den aufgesteuerten Öffnungsquerschnitt in den Brennraum strömen kann.

Dabei wird bei dem erzeugten Kegel- oder Schirmstrahl aufgrund der großen Strahloberfläche bereits bei niedrigem Einspritzdruck eine gute Zerstäubung erreicht, wobei sich die Strahleindringtiefe über den maximalen Öffnungshub des Ventilgliedes einstellen läßt.

Das bekannte Einspritzverfahren weist dabei jedoch den Nachteil auf, daß das Einspritzventil aufgrund zweier sich widersprechender Auslegungskriterien nur hinsichtlich einer geringen NOx-Emission oder einer geringen Rußemission zu optimieren ist, da eine geringe NOx-Emission eine möglichst lange Einspritzdauer und somit einen kleinen Ventilgliedhub benötigt, während für eine geringe Rußemission eine hohe Strahleindringtiefe und somit ein möglichst großer maximaler Ventilgliedhub notwendig ist.

Die Anforderungen an moderne Brennkraftmaschinen, insbesondere kleine Dieselmotoren verlangen jedoch möglichst geringe Schadstoffemissionen sowohl hinsichtlich der Ruß- als auch der NOx-Emissionswerte.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Funktionen Einspritzdauer und Strahleindringtiefe voneinander entkoppelt sind, so daß sie jeweils einzeln und unabhängig voneinander optimiert werden können.

Dies wird in vorteilhafter Weise durch ein getaktetes Ansteuern des elektrischen Stellgliedes möglich, wodurch der Öffnungsquerschnitt am Einspritzventil während eines Einspritz-Zyklus intermittierend aufgesteuert wird, so daß die Einspritzmenge steuerbar in Teilmengen in den Brennraum eingespritzt wird. Dabei ist es möglich zunächst eine geringe Voreinspritzmenge einzuspritzen, an die sich nach einer kurzen Einspritzpause die Haupteinspritzmenge unterteilt in mehrere Teileinspritzmengen anschließt, wobei die gesamte Einspritzmenge bei vorgegebenem Einspritzdruck von der Anzahl und der Pulsbreite der einzelnen Teileinspritzungen abhängig ist. Die Einspritzdauer läßt sich dabei unabhängig vom maximalen Ventilgliedöffnungshub über die Anzahl und die Pulsbreite der einzelnen Teilöffnungshübe steuern, so daß Geräusch und NOx-Emission direkt beeinflußbar sind. Dabei ergibt sich insbesondere durch die Einspritzpausen eine intensive Vermischung von Abgas und Frischluft im Brennraum. Durch die örtliche "Abgasrückführung" einerseits und die örtlichen Temperaturabsenkung des verbrannten Kraftstoff-Luftgemisches andererseits wird dabei eine besonders geringe NOx-Emission erreicht.

Da im Teillastbereich der zu versorgenden Brennkraftmaschine eine gegenüber dem Vollastbetrieb geringere Strahleindringtiefe des Einspritzstrahles notwendig ist, kann der Ventilgliedhub im Teillastbereich gegenüber dem maximalen Hub reduziert werden. Desweiteren ist es vorteilhaft, den Ventilgliedhub auch in Abhängigkeit von Ladedruck und Kompressionsendtemperatur zu steuern, da die notwendige Strahleindrintiefe auch von diesen Parametern der Brennkraftmaschine abhängig ist.

Mittels des erfindungsgemäßen Einspritzverfahrens ist zudem eine Formung des Einspritzverlaufs über die Modulation des Ventilgliedhubs der einzelnen Teilöffnungsimpulse möglich. Dabei ist es besonders vorteilhaft, speziell bei den ersten Öffnungsimpulsen einen ansteigenden Ventilgliedhub auszuführen, um den Kraftstoff zunächst in die Nähe der voreingespritzten und bereits entflammten Kraftstoffmenge zu bringen.

Als elektrisches Stellglied wird ein sehr schnell schaltendes Magnetventil oder noch geeigneter ein Piezoaktor verwendet, wobei in diesem Fall die axiale Stellbewegung des Piezoaktors über ein Hydraulikkoppelelement zum Ventilglied vergrößert wird, was gleichzeitig auch dem Ausgleich von Längentoleranzen infolge von Temperaturschwankungen und Fertigungstoleranzen am Piezoaktor wirkt.

Um eine maximale Frequenz der Teilimpulse am Ventilglied zu erreichen, kann der Piezoaktor vorteilhafterweise in seiner Eigenfrequenz angeregt werden.

Die Ansteuerung des Piezoaktors erfolgt über ein elektrisches Steuergerät das Einspritzzeitpunkt, Einspritzmenge, Pulsbreite und Einspritzpausen am Einspritzventil kennfeldgesteuert in Abhängigkeit von Betriebsparametern der zu versorgenden Brennkraftmaschine festlegt.

Die Kraftstoffversorgung des Einspritzventils erfolgt konstant, wozu der Druckkanal des Einspritzventils über eine Einspritzleitung mit einem Kraftstoffsammelraum (Common Rail) verbunden ist, der über eine Kraftstoffhochdruckpumpe ständig mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff befüllt wird.

Dabei ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Einspritzverfahrens bei kleinen Diesel- Direkteinspritzmotoren besonders vorteilhaft, da diese nur eine geringe freie Strahllänge des Einspritzstrahles benötigen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen ist zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Betätigungsverfahrens in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen die Fig. 1 einen Schnitt durch das Kraftstoffeinspritzventil und eine schematische Darstellung der Anschlüsse und die Fig. 2 ein Diagramm, in dem der Hub des Piezoaktors bzw. des Ventilgliedes während eines Einspritz-Zyklus über der Zeit aufgetragen ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in der Fig. 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil weist einen zylindrischen Ventilkörper 1 auf, der mit seiner einen Stirnseite in einen Brennraum 3 der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. Im Ventilkörper 1 ist eine axiale Stufenbohrung 5 vorgesehen, die an die in den Brennraum 3 mündende Stirnfläche des Ventilkörpers 1 mündet und in der ein kolbenförmiges Ventilglied 7 axial verschiebbar geführt ist. Das Ventilglied 7 weist an seinem brennraumseitigen Ende einen aus der Bohrung 5 ragenden Schließkopf 9 auf, dessen dem Ventilkörper 1 zugewandte Ringstirnfläche eine Ventildichtfläche 11 bildet. Diese Ventildichtfläche 11 am Ventilglied 7 wirkt zur Steuerung eines Einspritzöffnungs­ querschnittes mit einer an der brennraumseitigen Stirnfläche des Ventilkörpers 1 gebildeten Ventilsitzfläche 13 zusammen, wobei Ventildichtfläche 11 und Ventilsitzfläche 13 konisch ausgebildet sind. Die Ventilsitzfläche 13 begrenzt dabei einen zwischen der Wand der Bohrung 5 und dem Ventilglied 7 gebildeten Druckkanal 15 im Ventilkörper 1, der andererseits durch einen in der Bohrung 5 gleitenden Ringbund 17 am Ventilglied 7 begrenzt wird und der über eine Querbohrung 19 an eine Einspritzleitung 21 zu einem Kraftstoffsammelraum 23 angeschlossen ist. Der Kraftstoffsammelraum 23 (Common Rail), von dem sämtliche Einspritzleitungen zu den einzelnen Einspritzventilen abführen, wird dabei von einer Kraftstoff­ hochdruckpumpe 25 über eine Förderleitung 27 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aus einem Vorratstank 29 befüllt.

Das Ventilglied 7 weist zur besseren Führung an seinem brennraumnahen Ende einen an der Wand der Bohrung 5 gleitenden Führungssteg 31 mit Durchtrittsöffnungen für den Kraftstoff auf.

Mit seinem sich auf der brennraumfernen Seite an den Ringbund 17 anschließenden Schaftteil ragt das Ventilglied 7 in einen Federraum 33 im Ventilkörper 1, in dem eine Schließfeder 35 angeordnet ist, die sich an einem Bohrungsabsatz 37 ortsfest abstützt und das Ventilglied 7 über einen Federteller 39 in Schließrichtung zum Ventilsitz 13 hin beaufschlagt.

Auf der der Schließfeder 35 abgewandten Seite schließt sich ein Schaftende 41 des Ventilgliedes 7 an den Federteller 39 an, der mit seiner freien brennraumfernen Stirnfläche 43 in einen geschlossenen, mit einem Druckmittel gefüllten hydraulischen Arbeitsraum 45 ragt, wobei das Schaftende 41 zweistückig zum Ventilglied 7 ausgebildet und am Federteller 39 mit diesem verbunden ist.

Der hydraulische Arbeitsraum 45 wird an seinem der Stirnfläche 43 des Ventilgliedes 7 gegenüberliegenden Ende von der Stirnfläche 47 eines Verstellkolbens 49 begrenzt, der andererseits mit der Stirnfläche eines Piezoaktors 51 in Form eines zylindrischen Piezostacks verbunden ist. Dabei ist die Stirnfläche 47 des Verstellkolbens 49 des Piezoaktors 51 größer ausgebildet als die Stirnfläche 43 des Ventilgliedschaftendes 41, so daß die axiale Verstellhubbewegung des Piezoaktors 51 über den hydraulischen Arbeitsraum 45 in eine größere Verstellhubbewegung des Ventilgliedes 7 übersetzt wird.

Der Piezoaktor 51 ist über eine elektrische Anschlußleitung 53 mit einem elektrischen Steuergerät 55 verbunden, das die Bestromung sämtlicher Piezoaktoren 51 der einzelnen Einspritzventile steuert.

Das Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen arbeitet in folgender Weise.

In geschlossenem Zustand des Einspritzventils ist der Piezoaktor 51 stromlos geschaltet und seine axiale Ausdehnung entspricht der Ausgangsstellung. Die Schließfeder 35 hält das Ventilglied 7 mit seiner Ventildichtfläche 11 in Anlage am Ventilsitz 13, so daß der Einspritzöffnungsquerschnitt verschlossen ist. Dabei steht im Druckkanal 15 der Kraftstoffhochdruck des Sammelraumes 23 an, der sich bis an den Ventilsitz 13 fortsetzt. Die den Druckkanal 15 axial begrenzenden Flächen am Schließkopf 9 und am Ringbund 17 sind dabei so ausgelegt, daß das Ventilglied 7 etwa druckausgeglichen ist, so daß die Schließfeder 35 den Kraftstoffhochdruck nicht überwinden muß.

Soll eine Einspritzung am Einspritzventil erfolgen, wird der Piezoaktor 51 über das Steuergerät 55 bestromt und dehnt sich in Folge dieses Anlegens einer Spannung axial aus. Diese axiale Ausdehnung des an seinem brennraumfernen Ende ortsfest fixierten Piezoaktors 51 bewirkt eine Verschiebung des Verstellkolbens 49 in Richtung Ventilglied 7, die über den hydraulischen Arbeitsraum 45 entgegen der Kraft der Schließfeder 35 auf das Ventilglied 7 übertragen wird, wobei aufgrund der Übersetzung der hydraulischen Kopplung der Öffnungshubweg am Ventilglied 7 noch vergrößert wird. Das Ventilglied 7 hebt dabei vom Ventilsitz 13 ab und gibt den Öffnungsquerschnitt zwischen der Ventildichtfläche 11 und dem Ventilsitz 13 frei, über den der Schirm- oder Kegelstrahl zur Einspritzung in den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine gelangt.

Für eine optimal schadstoffarme Verbrennung ist der Einspritzvorgang während eines Einspritz-Zyklus dabei wie im Diagramm der Fig. 2 dargestellt, in mehrere Teileinspritzungen unterbrochen.

Dabei zeigt das Diagramm der Fig. 2 den Öffnungshubverlauf "h" des Ventilgliedes 7 über der Zeit "t" eines Einspritz­ zyklus.

Zum Zeitpunkt t1 wird zunächst ein kurzer Einspritzimpuls mit dem Öffnungshub h1 abgesetzt, der den Beginn der Einspritzung einer geringen Voreinspritzmenge auslöst, die die Entflammung im Brennraum 3 einleitet. Dieser kurzzeitige Impuls hat dabei nur einen Teilöffnungshub des Ventilgliedes 7 zur Folge der zum Zeitpunkt t2 beendet ist, so daß das Ventilglied 7 wieder an den Ventilsitz 13 zurückkehrt und den Einspritzvorgang unterbricht. Nach einer kurzen Einspritzpause t2-tn wird zum Zeitpunkt tn die Hauptein­ spritzung gestartet, die aus mehreren aufeinanderfolgenden Teileinspritzungen mit vollem Ventilgliedhub h2 besteht. Die gesamte Einspritzmenge wird dabei über die Anzahl und die Pulsbreite der Teileinspritzungen vorgegeben, wobei alle Parameter wie Einspritzzeitpunkte, Einspritzmenge, Puls­ breite und Einspritzpausen kennfeldgesteuert eingestellt werden.

Der Einspritz-Zyklus wird durch erneutes stromlos schalten des Piezoaktors 51 beendet, so daß die Schließfeder 35 das Ventilglied 7 mit seiner Dichtfläche 11 an den Ventilsitz 13 zurückbewegt und der Einspritzquerschnitt verschlossen wird.

Dabei ist es aufgrund des erfindungsgemäßen mehrfachen Unterbrechens des Einspritzvorganges möglich, die Funktionen Einspritzdauer und Strahleindringtiefe voneinander zu entkoppeln, so daß beide Funktionen einzeln optimal an den Bedarf der jeweiligen Brennkraftmaschine angepaßt werden können.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1) mit einer in den Brennraum (3) mündenden Bohrung (5), in der ein Ventilglied (7) axial verschiebbar geführt ist, das an seinem brennraumseitigen Ende einen aus der Bohrung (5) ragenden Schließkopf (9) aufweist, an dessen dem Ventilkörper (1) zugewandter Stirnfläche eine Dichtfläche (11) angeordnet ist, die mit einer einen Kraftstoffdruckkanal (15) begrenzenden Ventilsitzfläche (13) an der brennraumseitigen Stirnfläche des Ventilkörpers (1) zur Steuerung eines Einspritzquerschnittes zusammenwirkt sowie mit einem das Ventilglied (7) entgegen der Kraft einer Schließfeder (35) nach außen vom Ventilsitz (13) verschiebbaren elektrischen Stellglied (51), dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Stellglied (51) derart angesteuert wird, daß es während eines Einspritz-Zyklus den Öffnungsquerschnitt zwischen dem Ventilsitz (13) und der Ventildichtfläche (11) mehrfach aufsteuert und wieder verschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Beginn eines Einspritz-Zyklus zunächst ein sehr kurzer Öffnungshubimpuls (h1) vom Stellglied (51) ausgelöst wird, durch den der Öffnungsquerschnitt zur Freigabe einer geringen Voreinspritzmenge aufgesteuert wird und daß nach einer kurzen Einspritzpause (t2-tn) die aus einer Vielzahl von Teileinspritzmengen bestehende Haupteinspritzung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzmenge und der Einspritzverlauf über die Anzahl und die Pulsbreite der Teilöffnungshübe steuerbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom elektrischen Stellglied (51) ausgelöste Öffnungshub bei Teillast der zu versorgenden Brennkraftmaschine gegenüber dem bei Vollast durchfahrenden maximalen Öffnungshub des Ventilgliedes verringert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilgliedöffnungshub in Abhängigkeit vom Ladedruck und der Kompressionsendtemperatur der zu versorgenden Brennkraftmaschine gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einspritzzeitpunkt, Einspritzmenge, Pulsbreite und Einspritzpausen kennfeldgesteuert geregelt werden.

7. Kraftstoffeinspritzventil zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Stellglied (51) als Piezoaktor ausgebildet ist.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoaktor (51) eine verschiebbare Stirnfläche (47) aufweist, die einen hydraulischen Arbeitsraum (45) begrenzt, der andererseits von einer dem Schließkopf (9) abgewandten Stirnfläche (43) des Ventilgliedes (7) begrenzt wird, wobei die Stirnfläche (47) des Piezoaktors (51) größer ausgebildet ist als die Stirnfläche (43) des Ventilgliedes (7).

9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoaktor (51) über eine elektrische Verbindungsleitung (53) an ein Steuergerät (55) angeschlossen ist.

10. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Ventilsitz (13) mündende Kraftstoffdruckkanal (15) über eine Einspritzleitung (21) ständig mit einem Kraftstoffsammelraum (23) verbunden ist, der mittels einer Hochdruckpumpe (25) mit Kraftstoff hohen Drucks befüllt ist.

11. Verfahren zur Betätigung des Piezoaktors (51) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoaktor (51) während des Einspritz-Zyklus in seiner Eigenfrequenz angeregt wird.