DE19843175A1 - Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff in einen Zylinger einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff umfaßt eine Kraftstoff-Versorgungseinrichtung, ein Einspritzventil (13), eine Mischkammer (14), eine Luft-Versorgungseinrichtung, einen Gemisch-Injektor (15) und eine Einrichtung zum Einstellen des Luftdrucks in der Luft-Versorgungseinrichtung abhängig von einem Kraftstoffdruck in der Kraftstoff-Versorgungseinrichtung. Die Mischkammer ist mit der Luft-Versorgungseinrichtung verbunden. Das Einspritzventil (13) ist an der Mischkammer derart angeordnet, daß der Kraftstoff in die Mischkammer zugemessen wird. Der Gemisch-Injektor (15) kommuniziert mit der Mischkammer (14) und ist im Zylinderkopf (10) der Brennkraftmaschine derart angeordnet, daß er das Gemisch in der Mischkammer (14) in den Zylinder (4) zumißt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine derartige Einrichtung ist in der Veröffentlichung R. Houston, G. Cathcart, "Combustion and Emissions Characteri­ stics of Orbital's Combustion Process Applied to Multi- Cylinder Automotive Direct Injected 4-Stroke Engines", Socie­ ty of Automotive Engineers SAE Paper 980153, Band SP 136 be­ schrieben. Die bekannte Einrichtung umfaßt ein Einspritzven­ til, eine Mischkammer und einen Gemisch-Injektor. Zwischen dem Einspritzventil und dem Gemisch-Injektor ist eine Misch­ kammer angeordnet, in der Druckluft mit Kraftstoff vermischt wird, der von dem Einspritzventil zugemessen wird. Der Ge­ misch-Injektor bläst das Luft-Kraftstoff-Gemisch, daß in der Mischkammer ist, gesteuert in den Zylinder der Brennkraftma­ schine ein. Die Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine präzise Schichtung der Ladung, also des Luft- Kraftstoff-Gemisches, in dem Zylinder ermöglicht. So wird ein hoher Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erreicht.

Bei der bekannten Einrichtung wird die Druckluft auf einen fest vorgegebenen Wert des Drucks geregelt. Der Druck des Kraftstoffs in einer Kraftstoff-Versorgungseinrichtung wird so geregelt, daß eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen dem Druck des Kraftstoffs und der Luft eingestellt wird. Die Kraftstoff-Versorgungseinrichtung umfaßt eine Kraftstoffpum­ pe, einen Differenzdruck-Regler nahe bei dem Motorblock der Brennkraftmaschine und eine Rückführleitung von dem Diffe­ renzdruck-Regler hin zu einem Kraftstofftank. Erhitzter Kraftstoff fließt während des Betriebs der Brennkraftmaschine wegen des zur Regelung benötigten Überdrucks nahezu ständig zurück zum Tank und verdunstet dort teilweise.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Zumes­ sen von Kraftstoff in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die einfach ist und ein präzises Zumessen von Kraftstoff gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patent­ anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß bei der Kraft­ stoff-Versorgungseinrichtung auf eine Rückführleitung zu ei­ nem Kraftstofftank verzichtet werden kann. Somit strömt kein erhitzter Kraftstoff zum Tank zurück mit der Folge, daß wenig Kraftstoff in dem Kraftstofftank verdampft. Durch das Ver­ zichten auf die Rückführleitung wird die Einrichtung ausfall­ sicherer.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff,

Fig. 2 Ein Ablaufdiagramm zum Steuern der Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff.

Eine Brennkraftmaschine (Fig. 1) umfaßt einen Ansaugtrakt 1 mit einer Drosselklappe 2 und einem Motorblock 3, der einen Zylinder 4 und eine Kurbelwelle 5 aufweist. Ein Kolben 7 und eine Pleuelstange 8 sind dem Zylinder 4 zugeordnet. Die Pleu­ elstange 8 ist mit dem Kolben 7 und der Kurbelwelle 5 verbun­ den.

Ein Zylinderkopf 10 ist vorgesehen, in dem ein Ventiltrieb angeordnet ist mit mindestens einem Einlaßventil und einem Auslaßventil. In den Zylinderkopf ist ferner eine Zündkerze 12 eingebracht. Ein Einspritzventil 13 ist an einer Mischkam­ mer 14 derart angeordnet, daß der Kraftstoff in die Mischkam­ mer 14 zugemessen wird. Ein Gemisch-Injektor 15, der mit der Mischkammer 14 kommuniziert, ist derart dem Zylinderkopf 10 angeordnet, daß er das Gemisch in der Mischkammer 14 in den Zylinder 4 zumißt.

Die Brennkraftmaschine umfaßt ferner einen Abgastrakt 16 mit einem Katalysator.

Ein erstes Rohr 17 ist von einem Einlaß stromaufwärts der Drosselklappe im Ansaugtrakt 1 zu einem Kompressor 18 ge­ führt, der von einer Nockenwelle 20 oder auch direkt oder über einen Kettentrieb von der Kurbelwelle 5 angetrieben wird. In dem ersten Rohr 17 ist eine Drosseleinrichtung 22 angeordnet, die vorzugsweise als Drosselklappe ausgebildet ist. Als Drosseleinrichtung 22 kann aber auch ein Leerlauf­ füllungsteller oder eine andere dem Fachmann bekannte Dros­ seleinrichtung vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Dros­ seleinrichtung 22 im stromlosen Zustand geöffnet, um bei ei­ nem Ausfall der Komponente die Luftzufuhr zum Kompressor nicht zu beeinträchtigen. Ein zweites Rohr 23 ist von dem Ausgang des Kompressors 18 hin zu einem Luft-Druckbehälter 24 geführt. Der Luft-Druckbehälter 24 ist über ein drittes Rohr 25 mit der Mischkammer 14 verbunden.

Ein Kraftstofftank 27 ist vorgesehen, in dem eine Kraftstoff­ pumpe 28 angeordnet ist, die Kraftstoff durch ein viertes Rohr 30 hin zu einem Kraftstoff-Druckbehälter 32 pumpt. Der Kraftstoff-Druckbehälter 32 ist über ein fünftes Rohr 33 mit dem Einspritzventil 13 verbunden.

Ein sechstes Rohr 34 ist von dem Kraftstofftank 27 hin zu ei­ nem Aktivkohlefilter 35 geführt, das Kraftstoff adsorbiert und desorbiert. Von dem Aktivkohlefilter 35 ist ein siebtes Rohr 37 hin zu einem Venturi-Abschnitt 40 des ersten Rohres 17 geführt. In dem siebten Rohr 37 ist ein Tankentlüftungs­ ventil 38 angeordnet.

Eine Steuereinrichtung 42 ist vorgesehen, der Sensoren zuge­ ordnet sind, die verschiedene Meßgrößen erfassen und jeweils den Meßwert der Meßgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 42 ermittelt abhängig von mindestens einer Meßgröße ein oder mehrere Stellsignale, die jeweils ein Stellgerät steuern. Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 45, der eine Pedalstel­ lung des Fahrpedals 47 erfaßt, ein Drosselklappenstellungsge­ ber 48, der einen Öffnungsgrad der Drosselklappe 2 erfaßt, ein Luftmassenmesser 50, der einen Luftmassenstrom erfaßt und/oder ein Saugrohrdrucksensor, der einen Saugrohrdruck in dem Ansaugtrakt 1 erfaßt, ein Drehzahlsensor 54, der eine Drehzahl N der Kurbelwelle 5 erfaßt, und ein Differenzdruck- Sensor 55, der den Differenzdruck des Drucks des Kraftstoffs in dem vierten Rohr 30 oder in dem Kraftstoff-Druckbehälter 32 und des Drucks der Luft in dem zweiten Rohr 23 oder dem Luft-Druckbehälter 24 erfaßt. Je nach Ausführungsform der Er­ findung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder zusätzliche Sensoren vorhanden sein.

Stellgeräte umfassen jeweils einen Stellantrieb und ein Stellglied. Der Stellantrieb ist ein elektromotorischer An­ trieb, ein elektromagnetischer Antrieb oder ein weiterer dem Fachmann bekannter Antrieb. Die Stellglieder sind als Dros­ selklappe 2, als Einspritzventil 13, als Zündkerze 12, als Gemisch-Injektor 15, als die Kraftstoffpumpe 28 oder als das Tankentlüftungsventil 38 ausgebildet. Auf die Stellgeräte wird im folgenden mit dem jeweils zugeordneten Stellglied Be­ zug genommen. Die Steuereinrichtung 42 ist vorzugsweise als elektronische Motorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so z. B. über ein Bussystem.

Im folgenden wird die Funktion des erfindungsrelevanten Teils der Steuereinrichtung 6 anhand des Ablaufdiagramms (Fig. 2) beschrieben. In einem Schritt S1 wird das Programm gestartet. In einem Schritt S2 wird einem Istwert PDIFF_AV des Diffe­ renzdrucks der aktuelle Meßwert des Differenzdrucksensors 55 zugeordnet. Ferner wird ein Sollwert einer die Last an der Brennkraftmaschine repräsentierenden Größe ermittelt. Dabei wird vorzugsweise ein Sollwert TQI_SP des Drehmoments abhän­ gig von der Pedalstellung PV, der Drehzahl N und ggf. weite­ ren Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und zusätzlich ab­ hängig von Drehmomentanforderungen weiterer Funktionen der Brennkraftmaschine, wie z. B. einer Leerlauf-Drehzahl- Regelung, oder auch von Drehmomentanforderungen einer elek­ tronischen Getriebesteuerung oder einer Anti-Schlupf-Regelung ermittelt. Vorzugsweise sind die Sollwerte in Kennfeldern ab­ hängig von den genannten Größen gespeichert und werden aus diesen, ggf. mittels Kennfeld-Interpolation, ermittelt.

In einem Schritt S3 wird ein Sollwert PDIFF_SP der Druckdif­ ferenz abhängig von dem als Sollwert TQI_SP des Drehmoments und der Drehzahl N, vorzugsweise über eine Kennlinie oder ein Kennfeld, ermittelt. Der Sollwert PDIFF_SP kann zwar alterna­ tiv auch fest vorgegeben sein, die vorstehend angegebene Ab­ hängigkeit von dem Sollwert TQI_SP des Drehmoments hat jedoch bei geeigneter Parametriesierung des Kennfeldes den Vorteil, daß eine geringere Variation der Einspritzzeit an dem Ein­ spritzventil notwendig ist, so daß ein kostengünstiges Ein­ spritzventil eingesetzt werden kann mit geringeren Lineari­ tätsanforderungen zwischen Einspritzzeit und Kraftstoffmasse.

In einem Schritt S4 wird ein Sollwert THR_SP des Öffnungsgra­ des der Drosseleinrichtung 22 abhängig von dem Sollwert PDIFF_SP und dem Istwert PDIFF_AV des Differenzdrucks mittels eines Reglers, der P, PI, PID oder auch ein weiteres dem Fachmann bekanntes Verhalten aufweist, ermittelt und abhängig von der Drehzahl N und einer Tankentlüftungsrate CPR korri­ giert. So kann der Sollwert PDIFF_SP des Differenzdrucks präzise eingestellt werden. Die Tankentlüftungsrate CPR wird abhängig von einem Beladungsgrad des Aktivkohlefilters 35 er­ mittelt.

In einem Schritt S5 wird eine Einspritzzeitdauer TI abhängig von dem Istwert PDIFF_AV des Differenzdrucks und des Sollwer­ tes TQI_SP des Drehmoments ermittelt, vorzugsweise aus einem Kennfeld.

In einem Schritt S6 werden entsprechende Stellsignale zum Einstellen des Sollwertes THR_SP des Öffnungsgrades der Dros­ seleinrichtung 22 und zum Ansteuern des Einspritzventils 13 für die Einspritzzeitdauer TI erzeugt. In einem Schritt S7 wird das Programm dann beendet. Das Programm wird zyklisch oder abhängig von der Drehzahl N der Brennkraftmaschine wäh­ rend des Betriebs der Brennkraftmaschine aufgerufen.

Durch das vorteilhafte Ermitteln der Einspritzzeitdauer TI abhängig von dem Istwert PDIFF_AV des Differenzdrucks gemäß Schritt S5 kann auch bei kurzfristigen Abweichungen der Druckdifferenz von dem Sollwert PDIFF_SP die vorgegebene Kraftstoffmasse präzise in den Zylinder 4 zugemessen werden.

Durch die Anordnung der Drosseleinrichtung 22 als Stellglied zum Einstellen des Luftdrucks in dem Luft-Druckbehälter 24 ist gewährleistet, daß bei diesem Einstellen nur geringe Verluste auftreten, die im wesentlichen bestimmt sind durch die Antriebsleistung des Kompressors und beeinflußt sind durch die Drosselverluste. Vorzugsweise ist ein Kompressor vorgesehen, dessen maximale Antriebsleistung ausreicht, um den Luftdruck, wie gefordert, einstellen zu können trotz Se­ rienstreuungen der Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff und ungünstigen Umgebungsbedingungen.

Durch die vorteilhafte Anordnung der Drosselklappe stromauf­ wärts des Venturi-Abschnitts 40, in dem das siebte Rohr 37 in das erste Rohr 17 mündet, kann durch entsprechende Einstel­ lung des Öffnungsgrades der Drosseleinrichtung 22 einfach und präzise die Tankentlüftungsrate eingestellt werden.

Das Vorsehen des Differenzdruck-Sensors (55) hat den Vorteil, daß nur ein Drucksensor statt je eines Absolutdrucksensors für den Luftdruck und den Kraftstoffdruck vorgesehen sein muß. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit der Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff.

Das erste Rohr 17, die Drosseleinrichtung 22, der Kompressor 18, das zweite Rohr 23, der Luft-Druckbehälter 24 und das dritte, sechste und siebte Rohr 25, 34, 37 bilden zusammen eine Luft-Versorgungseinrichtung. Der Kraftstofftank 27, die Kraftstoffpumpe 28 das vierte Rohr 30, der Kraftstoffdruckbe­ hälter 32 und das fünfte Rohr 33 bilden zusammen eine Kraft­ stoff-Versorgungseinrichtung.

Claims (7)

1. Einrichtung zum Zumessen von Kraftstoff in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine

• - mit einer Kraftstoff-Versorgungseinrichtung, die mit einem Einspritzventil (13) verbunden ist,
• - mit einer Mischkammer (14), die mit einer Luft- Versorgungseinrichtung verbunden ist und an der das Ein­ spritzventil (13) derart angeordnet ist, daß der Kraftstoff in die Mischkammer (14) zugemessen wird, und
• - mit einem Gemisch-Injektor (15), der mit der Mischkammer (14) kommuniziert und im Zylinderkopf (10) der Brennkraft­ maschine derart angeordnet ist, daß er das Gemisch in der Mischkammer (14) in den Zylinder (4) zumißt, dadurch ge­ kennzeichnet,
  daß eine Einrichtung zum Einstellen des Luftdrucks in der Luft-Versorgungseinrichtung abhängig von einem Kraftstoff­ druck in der Kraftstoff-Versorgungseinrichtung vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einstellen des Luftdrucks derart ausge­ bildet ist, daß der Luftdruck abhängig von einer die Last an der Brennkraftmaschine repräsentierende Größe eingestellt wird.

3. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Regler um­ faßt, dessen Regel- und Führungsgröße die Druckdifferenz des Kraftstoffdrucks und des Luftdrucks ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzdruck-Sensor (55) vorgesehen ist, der die Druck­ differenz des Kraftstoffdrucks und des Luftdrucks erfaßt.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Drosseleinrichtung (22) in der Luft-Versorgungseinrichtung vorgesehen ist, die ein Stell­ glied zum Einstellen des Luftdrucks ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung stromaufwärts einer Einmündung eines Rohres (37) angeordnet ist, das mit einem Aktivkohlefilter (35) kommuniziert, das Kraftstoffdämpfe adsorbiert und desor­ biert.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Einspritzzeitdauer (TI) des Kraftstoffs durch das Einspritzventil (13) abhängig von der Druckdifferenz und der die Last an der Brennkraftmaschine re­ präsentierende Größe ermittelt wird.